第33卷第8期2019年8月北京测绘
Beijing Surveying and Mapping Vol. 33 No. 8August 2019
引文格式：李俊宝，马世龙.基于点云数据的建筑物建模方法［J #.北京测绘，2019,33(8):895898. DOI ：10. 19580/j. cnki. 1007-3000. 2019. 08. 007
基于点云数据的建筑物建模方法
李俊宝马世龙
(河南测绘职业学院，河南郑州450000)
［摘要# 建筑物三维模型重在数字城市、场景重现、虚拟现实中应用广泛，三维激光扫描技术作为一
种新的技术方法，在建筑物三维建模中应用越来越多。本文以三维激光扫描技术获取的点云数据为数据源， 以一仿古建筑为研究对象，对点云数据进行优化处理，并用不同的建模方法进行三维建模，对比分析了每种
方法的优缺点和适用范围，最后采用几何建模方法进行纹理贴图，得到真实的三维模型。
草坪卷
［关键词# 点云数据；建筑物三维模型；三维激光扫描技术；建模方法
［中图分类号# P234;P258
［文献标识码# B ［文章编号# 1007 — 3000(2019)08 — 0895 — 4陶粒混凝土墙板
0引言
“点云数据”即通过三维激光扫描技术获取 的数据，它包含大量的含有三维坐标点的数据!
同时还含有颜信息、反射强度信息。近年 来激光扫描技术向高精度、高分辨率、高速度、
小型化方面发展，它在建筑物建模中应用也越
来越广泛、特别是古建筑的保护、三维实景重
现、数字城市建设、数据库建设「2#。相对于传统 三维建模技术而言，三维激光扫描在软件和技
术方法上具有一定的优势，本文从三维激光扫 描技术在建筑物建模中的方法进行探讨，尝试 用不同的方法进行建模，以期达到较好的建模
效果。
1点云数据获取
本文以一仿古建筑物为研究对象，以地面三涂布纸
维激光扫描仪为数据获取设备。点云数据的采
集过程可分为现场勘测定点、标靶布设、实施扫 描、采集纹理影像等四步。
(1)现场勘测定点。现场勘测定点的目的是
根据建筑物的空间分布、内部结构、外部结构，选 择合适的测站点及合理的测站数，来保证最少的 测站数，最大的扫描范围，最小的冗余数据。设
置测站时，一般要求相邻两测站扫描得到的数据
有一定的重合比例，根据经验应保证有1/41/3
的重叠度「3#。
(2)标靶布设。由于建筑物的复杂程度高,
仪器需要架设多次才能完成扫描，为了将各站获 取的数据拼接成一个整体，还需要同名特征点进
行匹配，这里的同名特征点是用标靶来代替。激
光扫描时常用的标靶有球形标靶、平面标靶、纸
布设标靶时应确保相邻两测站之间有三个 以上的公共标靶，并且这三个公共标靶不能在一 条直线上，且每个标靶应尽可能与多个测站点保
持通视"3#)
(3)实施扫描。在实施扫描过程中，仪器应
尽量架设高一些，这样可以减少冗余数据和提高 扫描精度"45)对于建筑物的不同结构部位，要设 置不同的扫描分辨率间隔。一般构造物的扫描间
［收稿日期#
2019—01—15
［作者简介#李俊宝(1988 —)，男，河南杞县人，硕士在读，助教，研究方向为工程测量应用和点云数据处理)E-mail : 97958863l@qq.
com
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隔可以设置成中低分辨率，如1cmX1cm，对于细节较多的部分可设置成高分辨率，如1mmX 1mm。每站扫描完成后，要进行数据检查，检查合格后才可以搬到下一站。
(4)采集纹理影像。目前市场上的激光扫描仪内部都配置CCD相机，在扫描过程中内置数码相机会同步采集建筑物影像数据，但内置数码相机像素一般不高，如果对纹理影像像素要求较高，可以用外置的高像素数码相机重新采集建筑物纹理影像。
2点云数据预处理
扫描采集得到的点云数据，称为原始数据，它含有大量冗余数据而且分属于独立的各测站。因此需要进行预处理，预处理后的数据数量变少、质量提高，便于下一步操作处理，预处理流程如下所示。
(1)点云去噪，可以通过人机互助的方式将明显噪声点云数据除去，常用的软件有Cyclone. Geomagic Studio、Ployworks等；
(2)点云数据拼接，通过扫描仪自带的软件结合标靶数据，将各站的数据拼接到一起；
cao20
(3)坐标系统一，通过点云数据拼接把各站坐标系统一成为一个坐标系!这个坐标系可以是
某一站的独立坐标系或者是与当地联测的地方坐标系；
(4)数据简化，由于点云数据量大，加上拼接后产生冗余数据，因此需要对数据进行简化，常用的简化算法有：包围盒算法及改进算法、基于扫描线的数据压缩算法、减少模型中多边形数量的方法"#。数据简化可以通过点云数据处理软件完成如Geomagic Studio，或者通过算法编程实现。
3建筑物三维建模
以预处理后点云数据为基础!建筑物三维建
模的方法主要有三种，即几何建模、三角网建模、曲面建模，下面分别用不同方法进行建模。
3.1几何建模
几何建模是将建筑物的轮廓线构成线框模型或者实体模型，目前常用的建模软件为Auto-CAD,3dsMax，几何建模基于这两种软件进行三维建模。
以AutoCAD为平台的建模方法「7#，其主要过程为：
(1)将点云数据进行分割，以#•dxf格式分块输出；
(2)在AutoCAD软件中提取建筑物轮廓线上的扫描点，将这些点拟合成轮廓线或者先拟合成平面，然后从相邻两个平面中提取轮廓线；
(3)利用提取的轮廓线组合成三维线框模型，然后用相关操作命令生成三维实体模型。
以3dsMax为平台的建模方法主要过程为：
(1)在Cyclone软件中量取建筑物各个构件的三维尺寸，生成二维线划图，如图2所示；
(2)将二维线划图导入到3dsMax软件中，对于比较规则的部分，使用线性回归分段拟合的方法进行建模；对于不规则部分使用旋转、放样、拉伸等方法建模。如图3所示为建立的三维模型。
图2二维线划图图3三维立体模型
几何建模一般对规则建筑物进行平面拟合效果较好，而对于不规则建筑物的曲面拟合效果不好。
3.2三角网建模
三角网建模是一种三维表面模型重建方法，由于点云数据是离散的、不规则的、拓扑关系不明确的，
不能直接构成物体真实表面，因此需要将点云数据构造成网格，然后得到构成拓扑关系的真实表面，最后得到物体的三维表面模型「8#。构造成网格的算法有很多种，常见的且有效的是Delaunay三角剖分法!点云数据处理软件
Geomagic Studio、Ploy w orks等基于此方法构成三角网模型，如图4为用Delaunay三角剖分法生成建筑物三角网模型。
三角网建模适用于不规则、复杂的构造物或者需要精细表示的构造物!其缺点是数据量大
数据处理时间长
。
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图4三角网模型
3.3曲面建模
曲面建模是指用样条曲面为基础的建模方法，常用的曲面拟合算法有NURBS曲面算法、Bezier曲面算法、B样条曲面算法，其中NURBS 曲面具有良好的曲面质量，它既能表示自由曲线曲面，也能表示规则曲面，利用NURBS算法进行建模步骤"0#为：
(1)利用拓扑关系明确的几何信息，将离散点拟合成曲线或者从三角网模型中提取轮廓线；
(2)以拟合成的曲线或提取的轮廓线为基础，将其拟合成曲面片，进而构成曲面网格；
(3)在网格的基础上，将曲面片拟合成NURBS曲面，由曲面构成立体模型。
基于NURBS曲面建模方法构建的模型比较逼真，主要应用在逆向工程建模、雕塑建模中，其算法虽然复杂，但在常见的点云数据处理软件中也能实现，是目前使用较为广泛的方法。
3.4几种建模方法比较
为了便于比较和分析，选用同一个仿古建筑的构件，分别利用几何建模方法、三角网建模方法或曲面建模方法，生成相应的三维模型并与该部件的影像图进行对比，如图5所示。
(a)影像图(b)几何模型图(c)曲面模型图
图5宝顶的三维模型对比图
从图5中可以看几何模型图相对于影像图来说各别地方有些差异，总体上能够反映其形态；曲面模型与影像图十分吻合，只是在某些细节上有差别，这是由于该处点云数据没采集到位所致。综合分析可以得出对于复杂的不规则的部件建模，三角网或者曲面建模方法要优于几何建模方法，对于规则的部件建模两种方法精度相当，因此在实际建筑物建模当中常将这几种方法组合使用，如图6所示为用几何建模方法经过贴图处理后的该仿古建筑物的三维模型。
图6仿古建筑物三维模型
4结束语
三维激光扫描技术在建筑物尤其是在古建筑物的建模中应用很多，并且取得很好的效果，本文用不同
的建模方法对同一个仿古建筑物进行三维建模，并得出相应优缺点，对今后相应的三维建模有一定的建议。目前基于点云数据三维建模主要采用现有商业软件进行的，现有软件格式不通用是一个制约因素，每种方法都有优缺点，如何将不同方法的模型较好的组合在一起，达到更好的建模效果，还需要进一步进行研究。
参考文献
马立广•地面三维激光扫描测量技术研究:D：.湖北武汉：武汉大学，2005.
范张伟，邢星•基于数字化技术的古建筑保护研究:J#.北京测绘,2010(3)：1821.
[3#朱继文，冯守良，曲苑婷.基于徕卡ScanStation2获取校园三热能去毛刺机
维点云数据的研究"#•黑龙江工程学院学报，2013,27(3)：17-19
朱凌，石若明•地面三维激光扫描点云分辨率研究"#•遥感学报,2008,12(3):405-410.
"#廖紫骅，蔡继鸣，封全宏，等•三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用"#•东华理工大学学报，2013,36(4)：410-414
"#官云兰•地面三维激光扫描数据处理中的若干问题研究:D#上海：同济大学，2008
"#李敏.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用北京测绘
,2014(1):111-114.
898北京测绘第！！卷第8期
：8：黄飒.三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研建筑物三维模型重建"#•测绘通报！010$)：55-57.
究［D#.河南焦作：河南理工大学2012."0#周华伟.地面三维激光扫描点云数据处理与模型构建:D#.编织袋折边器
丁延辉，秋冬炜，王凤利，等•基于地面三维激光扫描数据的云南昆明：昆明理工大学2011.
Building Modeling Method Based on Point Cloud Data
LlJunbao,MA Shilong
(Henan Surveying and Mapping Vocational College,Henan Zhengzhou450000,China)
Abstract:The3D model of buildings is widely used in digital cties,scene reproduction,and virtual reality.As a new technicalmethod,3Dlaserscanningtechnologyisapplied moreand more in3Dmodeling ofbuildings2In thispaper, the point cloud data obtained by3D laser scanning technology was taken as
the data source2An antique building was takenastheresearchobject,the point cloud data was optimized,anddifferentmodeling methodswereusedfor3D modeling2Thesuperiorityofeachmethodwascomparedandanalyzed2Disadvantagesandscopeofapplication,fina l y using geometric modeling methods for texture mapping to get a real3D model.
Key words:point cloud data；3D model of a building；3D terrestrial laser scanning technology；modeling method
