基于激光扫描技术的室内外三维场景构建方法

由于各种大规模室内活动场所的建立，传统二维地图的导航定位已不可能完全满足人们的需求，且室内定位技术的研究与发展对室内外一体化高精度三维地图的制作提出了更高的要求。本文以河北野三坡服务区主楼为例，探讨性提出了一种针对室内外导航定位的三维场景快速构建方法。首先布设室内外一体化高精度坐标控制网，其次利用三维激光扫描技术获取实际地理坐标的高精度点云数据，运用3DMax 软件对主楼室内外精细建模，并融合周边DOM、DEM 等数据在Skyline 软件中构建可交互式操作的可视化三维场景进行发布。结果表明，该方法可快速准确获得室内外全景环境及任意处的位置坐标。

1 引言

随着健身房、写字楼、商场等集中化的大规模活动场所的建立，足不出户的现象日益普遍，基于二维地图的室内外导航与定位服务已不能完全满足社会各行业各领域的需求，人们不再满足于单方面的位置信息，更关心所处位置具体环境做出更佳的选择。例如消防队员在陌生的商场救援时，不仅迫切地想确定着火的位置，更需要了解救援途中消防通道的建筑结构、走哪条路线能更快到达现场等情况，这就对具备导航定位功能的可量测室内外一体化高精度三维场景地图的制作提出了更高的要求。

室内定位技术的方法有多种，包括蓝牙、无线网络、热红外、伪卫星、地磁等，许多研究机构、公司和大学利用这些技术开展了大量的研究工作，并开发了相应的室内定位系统，然而这些工作都是基于二维地图展开的，并且存在抗干扰性差、依赖环境、前期投资成本高等问题，难以达到厘米级的定位精度。在三维场景构建方面，林选妙和赵春林尽管利用360°全景技术分别实现了可视化、可交互性的漓江流域生态旅游资源展示系统与三维变电站，但这些电子地图没有将位置信息引入系统中，未能从真正意义上实现三维场景的导航定位功能。

本文以河北野三坡服务区主楼为例，探讨性提出一种面向室内外定位的三维场景构建方法。首先对具有真实地理坐标的室内外一体化三维场景点云数据的采集与处理方法进行介绍，其次通过得到的厘米级的点云信息，利用3DMax 软件进行点云的精细建模; 最后融合现有DOM、DEM 数据，制作室内外一体化三维地形场景地图，并通过Skyline 软件对其进行还原展示，实现了从实景到模型的等比例同位置的仿真还原。

2 三维场景的数据采集与处理

2. 1 数据采集

河北野三坡服务区的数据采集主要包括三个方面: ①主楼室内外的点云数据，②主楼室内外控制点的坐标，③主楼室内外纹理特征。

( 1) 点云数据采集

采用Z+F 5010x 地面式三维激光扫描仪对野三坡服务区主楼一二层室内外、楼梯、走廊进行了三维扫描，共经历一天半时间，架设40 站，铺设粘贴标靶纸70 多张，采用标靶球6 个。在采集过程中，扫描仪的采集质量设成Normal，分辨率设成High，测站位置距离外墙不超过20 m并且保证扫描仪的发射激光与标靶纸的入射夹角小于45°。标靶纸和标靶球的布设需满足不在同一直线同一高度上。

( 2) 坐标控制网建立与测量

坐标控制网的建立与测量是整个三维地图的基准，控制点主要用于后期点云数据的坐标转换，将测站坐标系下的三维点云数据转换到真实地理坐标系( CGCS2000) 。本次控制点选择兼顾GNSS 一般选点要求和后期室内点云精度验证的全站仪观测通视要求，共选取5 个GNSS 控制点( 如图1 所示) ，参照C 级GNSS 观测要求进行边连式同步观测，并与河北CORS周边基准站数据进行联合解算，经高斯投影后得到控制点在CGCS2000 坐标系下的平面坐标和高程。点云数据采集时在控制点上粘贴标靶纸并进行扫描，获取控制点在扫描坐标系下的相对坐标，需要注意标靶纸的十字中心和控制点的中心绝对吻合，如图2 所示。

图1 控制点分布图

图2 标靶与控制点重合观测示意图

( 3) 纹理拍照

用数码相机对建筑物的内外墙、地板、屋顶、楼梯、水泥地等处局部细节和整体外观进行拍照，并分别编号加以区分，保存在不同的文件夹下供后期精细建模使用，命名格式举例为“1#楼-外墙-贴砖”。拍照时应根据不同的天气状况对相机进行适当的调整保证照片与实物的色差基本为0。

2. 2 数据处理

利用随机软件Z+F LaserControl 对外业采集的点云数据进行拼接、去噪、着色和坐标转换。

点云数据拼接是将不同视角下的扫描数据进行配准形成整体点云，完整表现主楼的空间形状，各站间采用公共特征点和标靶纸/球作为拼接的已知条件，计算拼接精度，通过查看拼接报告( 如图3 所示) 来检查配准是否合理。

三维激光扫描获得的海量点云数据不可避免地存在许多冗余点和噪声点。噪声来源多种多样，比如超出扫描设定范围的孤立点; 不属于建筑物本身的冗余点; 玻璃镜面反射光束造成的混杂点; 扫描过程中物体随扫描镜头移动造成的漂移点等。

利用随机软件的蒙版和过滤工具对上述噪声进行剔除后生成的是黑白相间的点云( 如图4 所示) ，不能真实地反映建筑物的色彩信息，不利于后期的属性添加，应对黑白点云进行一键式着色处理得到带有RGB 和反射强度信息的彩色点云( 如图5 所示) 。同时将2. 1. 2中控制点坐标导入软件，通过拼接模块将彩色点云从测站相对坐标系转换到真实地理坐标系，得到在CGCS2000 坐标系下的点云数据( .las 格式) 。在随机软件中，还可根据实际需要将数据以不同格式( 如pts、asc、ply) 、不同比例进行抽样输出供其他平台使用。

图3 点云拼接报告

图4 主楼未染色前点云侧视图

图5 着色后的主楼点云俯视图

3 基于点云的3DMax 精细建模

河北野三坡服务区主楼的三维实体模型重建在3ds Max 2015 软件中进行，以点云为参考对建筑楼进行几何体的分区单体构建，创建平面多边形并赋予纹理和贴图，然后将建好的单体模型分区组合成块，渲染优化后输出。

3. 1 数据导入

将处理后的整体点云数据(.las 格式) 导入Autodesk Recap 2016 软件，加载完毕后框选所需建模的区域并裁剪，以.rcs 格式导出。在3ds Max 2015 软件中通过“创建几何面板”-“点云对像”-“PointCloud”模块将.rcs 格式的点云数据导入。

3. 2 参照点云建模

参照点云数据构建三维模型就是将点云数据的轮廓结构、位置、大小等信息作为三维底图进行立体空间上的临摹，达到模型与实物在大小、位置、内部结构等属性上的高度一致，在任一视图任意分辨率下放大查看模型都能和点云完全重合( 如图6 楼顶墙角所示) ，从而避免了后期的尺寸对比，位置偏移分析等工作，从真正意义上实现了实物到模型的完美复制。

图6 楼顶模型与点云重合

以服务区的主楼为例，在透视图中调节显示框，隐藏其余部位点云，使主楼在左视图中只显示主楼的最底部，利用创建标准基本体命令创建平面四边形，顶视图下调整四边形顶点移动到主楼相对应的位置，重新切换到左视图或其他视图，上下竖直移动四边形与主楼底部完全重合，再利用修改器中的拉伸，挤出、优化附加等命令再配合移动、旋转、缩放等操作完成主楼模型的几何体构建。

3. 3 纹理赋予和贴图

纹理贴图就是将实物的材质信息和建筑物内外立面上的商标logo、文字标志等墙面信息赋给模型，使其在视觉效果接近实物。由于实际建筑各墙表面上材质信息不同，需在不同表面赋予对应的纹理，因此有必要在建好的模型上进行平面的分割和创建多边形等操作。

在PhotoShop 里对采集到的照片进行色泽饱和度、亮度、角度的调整处理，选取视觉效果真实自然的照片，再利用3ds Max 里uvw 贴图工具进行细微地调节，使其更贴合实际，部分区域效果如图7 所示。

图7 纹理贴图后的室内模型

3. 4 场景优化

赋予纹理贴图后的模型尽管和实物已经很接近，然而个别模型表面上会存在阴影，建好的室内外模型还会存在亮度较暗，色泽度不够饱满，色彩不够鲜艳等现象。因此需要对上述模型进行灯光处理、VRay 渲染等，同时在室内外添加适当数量的摄影机并调整它们的位置，以求不同角度下的室内外模型都能符合大众的视觉习惯，如图8 所示。

图8 优化后的三维模型场景

4 基于Skyline 的三维场景展示与发布

SkylineGlobe 是世界上领先的三维地理信息处理平台，支持多种格式数据( 如max、fbx、obj、shp、dwg、dxf、dem、dom 等) ，也可以同时加载这些数据并融合成可交互式操作的三维地形场景文件，在平台中我们可以仿人类第一视角身临其境地浏览融合后的场景，还可以做路径分析与规划，让场景自动地从起始位置漫游到终点，中途可以暂停查看每一位置的详细坐标。

将已有野三坡服务区1 ∶ 10 000 比例尺下的dom和dem 数据导入Skyline 中TerraBuilder 模块，生成MPT 格式的三维地形场景文件，并将此文件与上述经3DMax 精细化处理后的三维模型文件( .max 格式) 一并导入TerraExplorer Pro，经位置和角度进行微调处理后得到综合场景文件，打包生成fly 格式的工程文件并发布，如图9 所示。

图9 融合后野三坡三维场景

5 结语

本文以野三坡服务区主楼的室内外场景构建为例，详细地介绍了三维激光扫描中需要采集和处理的内容、3Dmax 建模过程和Skyline 平台展示与发布的操作流程，得到了CGCS2000 坐标系下厘米级的点云数据和三维模型，制作了野三坡服务区三维地形场景地图，还原展示了融合后的三维场景，实现了从实景到模型的等比例同位置的仿真还原，满足了从地下隧道到地上广场、室外到室内、一层到二层的高精度无缝导航定位的需求。

试验结果表明，采用本方法构建中小范围的建筑场景，作业效率高，模型精细，建立的场景效果逼真，精度可达厘米级。在各作业环节中还可生成各种常用的数据格式，能够与不同的三维地理信息平台兼容，数据可利用率高，对相关生产单位的作业具有一定的借鉴意义。