第35卷第1期2021年)月
Vol.35No.1
Feb2021黑龙江工程学院学报JournalofHeilongjiangInstituteofTechnology
引用著录：梅晓丹，李响，刘瀚文，等•基于激光点云的航测实验室三维重建#$黑龙江工程学院学报,2021,35(1)：10-14. DOI：10.ki.issnl671-4679.2021.01.003 基于激光点云的航测实验室三维重建
梅晓丹，李响，刘瀚文，苏冬玲，李湘媛，李冈U
(黑龙江工程学院测绘工程学院，黑龙江哈尔滨150050)
摘要：三维激光扫描技术以其数据的高精度与采集的高效率为空间信息的获取提供1种全新的技术手段。以黑龙江工程学院的摄影测量与遥感模拟仿真实验室为研究对象，其由建筑和办公设施、地面沙盘和高架航空模拟轨道等专业设施组成，使用Z+F IMAGER®5010X三维激光扫描仪，获取分辨率为0.1mm的点云数据，采用L-DAR360软件进行一系列点云数据处理操作，获得满足更高质量三维建模要求的点云数据。通过3ds Max三维建模软件构建实验室的三维实景模型，其具有漫游、人机交互和可量测性的特殊性，可服务于教学、实习以及实验室的维护，开创1种实验教学的新模式。 关键词：地面激光扫描；点云数据；三维重建；沙盘；实验室
中图分类号:P204；TN249文献标识码：A文章编号：1671-4679(2021)01-0010-05
3D reconstruction of aerial survey laboratory based on
laser point cloud
MEI Xiaodan,LI Xiang,LIU Hanwen,SU Dongling,LI Xiangyuan,LI Gang
(School of Surveying and Mapping Engineering"Heilongjiang Institue of Technogly"Harbin150050"China)
Abstract：Three dimensional laser scanning technology,with its high accuracy and high efficiency of data acRuisition"provides a new technical means for spatial information acRuisition?This paper takes the PhotogrammetryandRemoteSensingSimulationLaboratoryofHeilongjiangInstituteofTechnologyasthe researchobject"whichiscomposedofbuildingando f icefacilities"groundsandtableandelevatedaviation simulation track.The use of Z+F Imager®5010X3D laser scanner can obtain the point cloud data with aresolutionof0.1mm.Aseriesofpoint:louddatapro:essingoperationsare:a r iedoutwithLiDAR360 so
ftware to obtain the point cloud data meeting the requirements of higher quality3D modeling.The three-dimensionalrealscenemodeloflabora8oryiscons8ruc8edbyusing8he8hree-dimensionalmodelingsof8ware of3ds max,which has the characteristics of roaming,human-computer interaction and measurability.And it can serve teaching,practice,and laboratory maintenance,creating a new mode of experimental teaching. Key words:ground laser scanning；point cloud data；3D reconstruction；sand table；laboratory
随着三维建模点云数据获取手段的逐渐成熟,
收稿日期：2020-07-02
基金项目：国家级大学生创新训练计划项目(201811802015))黑龙江省大学生创新训练计划项目(201911802056)；国家自然科
学基金-青年科学基金项目(31800538)；黑龙江工程学院
博士科研启动基金项目(2017BJ02)；黑龙江省教育科学规
划课题-省教育厅规划课题(GJC1318081)；黑龙江工程学
院科学(JKG18011)黑龙江工程学院
教学改革工程项目(JG201822)；黑龙江工程学院新工科研
究与实践项目(XGK2O172O9)
第一作者简介：梅晓丹(1979—)女，副教授，博士，研究方向：3S技术及其应用；虚拟现实技术；自然地理学；林业遥感以
及地图学与地理信息系统.地面激光扫描技术作为1种通过三维扫描的方法获取扫描对象表面信息的三维测量技术，以线阵采样的方式获得扫描视界内地物的全景数据，从而使虚拟地理场景的重建模型能够真实模拟自然地理环境和地物的几何结构和形态分布，因而其在数字城市、文物保护、形变监测以及建筑物三维重建等领域已成为业界研究的热点口7$。本文以黑龙江工程学院的摄影测量与遥感仿真模拟实验室为研究对象，该实景由建筑和办公设施、地面沙盘和高架航空模拟
第1期梅晓丹，等：基于激光点云的航测实验室三维重建・11・
等专业设施(采用地基三维激光扫描取点云数据，通过激光点云数据处理软件和三维建模软件，实现实验室室内实景的三维重建(
1基于激光点云的航测实验室三维重建总体方案
软件主点云数据处理、分析软件以三维建模软件。用地面三维激光扫描实验室实景的点云数据采集"采用Li-DAR360V4.0软件和Autodesk ReCa P2019软件进点云数理。L1DAR360数字科技有限公司自主研发的激光点云数理和分
软件"点云的可视化及编辑、自动/半自动分类、数字模型生成及编辑等一系作，以及
多元数据格式导出；AutoCAD Autodesk ReCap是1个独立的应用程序，通过引用多个索引的扫描文件(RCS)来1个点文件(RCP)，支持多点云数据格式。采用3ds Max软件实验室的三维，使用Photoshop软件三维模型贴图操作。3ds Max2019是Autodesk公司开发的三维动染和制作软件。工具的组合可在短时间内高效地三维模型和现实对，还可生业质的三维动画"平台的软件发布。的具体技术路线如图1所示。
图1技术路线
2激光点云数据的获取和处理
2.1数
以黑龙江工程学院的与遥感模实验室为"的数取类型主要基于地面三维激光点云数据和室内的纹理数据。使用Z+F IMAGER®5010X三维激光扫描仪"具体参数指标见表1。设置
为程1m，采用标法获取点云数据，在实验室内东、西、南和北4个方位分标靶作为各
表1Z+F IMAGER®5010X三维激光扫描仪参数参数名称指标参数名称指标光束发散度/mrad*0.3光束直径/mm.5测程/m187.3分辨率/mm0.1
数据获取速率/(点/s)11016000线性误差/mm11垂直分辨率/(°)0.0004水平分辨率/(。)0.0002
点云数接的公共参考点。通过转换激光
所获取的扫描文件为点云格式，保存为LAS格。由于该三维激光扫描
法同时获取扫描对
-12-黑龙江工程学院学报第35卷
象的纹理数据，因此，本研究采用相机单独拍摄获取的方法，共采集贴图270余张，保存为•jpg格式。
2.2数据的处理
本研究采用LiDAR360软件进行点云数据处理，主要包括去噪声、重采样、识别与分类、地形信
息提取和格式转换等一系列操作，从而为后续的实
体三维模型提供高精度高质量的数据支持囚。为了
提高点云数据的处理效率和精度，将多个点云扫描文件聚合到一起，作为1个整体处理使得多个点云扫描数据具有相同的处理精度，保存在1个工程文件中，文件格式为.LiData。1）去噪声：这里使用点云的【去噪】工具，将邻域点个数设置为40，标准差倍数设置为5，去噪声处理，同时精简冗余数据，提高数据质量90*2）重采样：选择【重采样】工具，采用“最小点间距”方法，最小点间距设置为0.001，将点云数据进行重采样，以达到提高三维建模效率的目的*3）识别与分类：使用【分类】工具，分别通过地面点分类、孤立点分类、噪声点分类、建筑物分类和电力线分类等对沙盘中地物和地
形信息进行识别和分类处理;4）地形信息提取：使用【地形】工具，通过坡度、坡向、生成TIN和点云生成等高线等工具进行点云数据中地形信息的提取，特别是通过【点云生成等高线】工具生成的沙盘地形等高线，为后续的三维地形模提供数*5）数格
换：采用Autodesk ReCap软件将当前所加载的点云扫描数据作为点云扫描RCS文件保存及导出，将LAS格式转换为3ds Max所支持的RCS文件格式和RCP文件格式。
3实验室模型构建
摄影测量与遥感模拟仿真实验室主要包括沙
盘、航空模拟轨道、摄影测量数字工作站、投影仪、门、窗户、柜子、吊灯、桌子、椅子及其它环境附属物（墙体、地面、展板、洗手台和暖气片等）。在点云数
据处理的基础上，采用3ds Max软件进行实验室对象和场景的三维重建，并通过大量纹理贴图，达到
实景建模逼真的效果。
3.1三维地物对象构建
3.1.1三维模型
由于本研究沙盘对象中地物和地形相对复杂,
采用1：500和1：1000两种比例尺展示，其主要包括道路、树木、建筑物和地形等，高度为0.2m，长为6m，宽为5m。这里先将实验室中的沙盘对象分别进行单体三维建模，再将各个模型集成整合处
理为1个整体沙盘模型。1）道路模型：采用中线生成法，即通过绘制道路中间样条线的方法完成道路
模型构建。在道路中线弯曲路段处理，使用【圆角】工具修改其属性值，使道路中线变得圆滑。道路交叉口的创建方法为绘制交叉的2条样条线，采用【附
加】工具将其合并为1个整体。由于沙盘所包含的道路都是相同的道路，只有个别道路需要单独处理，其他道路均可采用【实例】克隆工具，然后进行相应的空间三维处理，从而达到与沙盘道路位置吻合，可以很大程度上提高三维建模的效率。根据沙盘点云扫描数据绘制道路中线辅助线网图，再由道路生成复杂的道路网*2）树木对象：在创建的道路网模型基础上，创建道路两侧的树木对象。使用【植物】工具进行树木模型的创建，选择树种，使用点云捕捉工具和相应的三维位置变换工具，完成树木模型的空间位置摆放；3）建筑物对象：沙盘中校区的建筑物进行三维建模时，主体建筑物多为规则形状，使用【长方体】工具创建建筑物标准几何体，通过挤出、拉伸、圆滑和布尔等工具修改外部形态。采用材质编辑器进行建筑物的贴图和纹理处理，再调整建筑物三维模型进行几何位置摆放。对于特殊形状的建筑物，则使用【复合对象】工具进行建筑物部件组合操作。由于沙盘中建筑物尺寸
较小，其贴图的现场采集比较困难，本研究采用获取室外实校物理法，用于模型的贴图，以达到模型的美观性和实景效果；4）三维地形构建加卩载等高线数据，选中等高线整体，通过【地形】工具生成三维地形模型，获取高精度高分辨率的数字地形模型；5）三维沙盘构建：将沙盘内的所有地物和地形的三维建模导入合并，并严格按照点云数据对各种地物和地形进行X,Y和>轴坐标
的参数设置，使沙盘模型达到最佳整体集成效果。采用归一化工具处理过程对于每一个点的高程值Z
减去到的最近地面点高程值，去除地形起伏对点云数据高程值的影响，再将三维沙盘模型与室内模
拟拍摄航片无缝拼接图叠加构建三维实景沙盘模型"2所示。
3.1.2三维空模和机模型
采用3ds Max软件构建实验室室内的模拟航空飞行轨道，主要包括固定轨道和滑动轨道，相对航高为3m，长度为6.3m，宽度为5.6m，设置4条航线，航向重叠度为60%，旁向重叠度为30%。另外，在滑动轨道上，以四旋翼无人机为原型，由飞行器、旋翼和支架组成三维无人机模型。
3.1.3三维数字工作模型
以JX4G数字摄影测量工作站为原型，主要由显
第1期梅晓丹，等：基于激光点云的航测实验室三维重建・13・
示器、机箱、电脑桌、手轮和脚盘等部件组成，采用3ds Max 软件构建三维数字摄影测量工作站模型。
图2沙盘模型
3. 2室内建筑和办公设备三维建模
于实验室的
，门、窗户、柜子、吊灯、桌
子、椅子及其 属物（墙体、地面、天花板）畏
、洗手台、暖气片等）的三维建模方法与上述
这里就不再加以详细说明。在完成3 ds Max 软 件实验室各个对象模型和场景模型构建的基础上，依 实验
的点云数据的几何属性和三维空间坐标信息，调
个模型的 大小和空间位置，将各
个模型进行集成形成整个实验室三维实景模型。
4实验室三维模型的应用
在3ds Max 软件中使用【创建】工具，创建自定
机，使用【设置关键点】工具调
机的旋和运动 ；当 节点时使用【钥匙】工具"己录 机在2个节点间运动的视场化过程；使用【时间配置】工具设置 机 时
间和帧数。从俯视、侧视、 、远景和 等多 个角度，依次点击设置关键点，按钥匙图标记录当 前位置，将磁头滑到每间隔25帧位置，创建1 min 的 机运动 ，以 全面地展示实验室三维
效果的目的（见图3和图4）。秉持“虚实
合，资源共享”的实验教学理念，开展基于实验室 三维模型的应用，深
合信息化技术与教育教
学，通过实验室三维模型的 、人机交互和可量
性功能，搭建1个 的实验平台，服务于
学、实习以及实验室的维护，开创1种实验教学的新
模式。
：在《三维GIS 建模》、《4 学》、
《数字 》和《航空与航天
》课程教学中"学从单纯、抽象的理论和书本中抽离出来，变
为直观、立体和交互性；在《
外业实习》和
《控制 实习》中，模 空 的全过程以
地形
的过程，将实习指导直观分步演示，有
效地攻破
点难点；在实验室的维护中，通过
算机网络系统，师生将不受时空的限制，开展自主
图3
三维实验室整体模型
・14・黑龙江工程学院学报第35卷
图4实验室模型的摄影机设置
学习和创新，同时提供网络一体化的管理功，有效地提高了实验教学的效果和质量。
5结束语
于三维激光扫描地面点云数据质量的影响[1213]，实际实验中校物模型寸与实验体空间大存在较大
此，仅单纯利用三维激光点云信息难做出具有真实的模型"采用传统三维建模和点云模型自动构合的来实现实验室内三维。基于地面三维激光点云数据构建模型，获得较好质量的实验室三维实景模型和三维显示效果，且其具有可的三维模型特点"
用该模型可为测绘业学生控制、地形、三维激光扫描和三维空间分用等提供有效的数"学、示范和实验实习的目的[⑷，但实用中虑地物和实物存在，如植被的反射强度。迅速发展的空间观技术和信息处理技术，今后的工作将进一：究“天一空一地一内"多源立体，通过手段获取室内三维空间信息，以期获得精度和质量的室内实景三维模型。
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[责任编辑：郝丽英]
