來源：《測繪地理資訊》2019年第1期
作者：史向陽
摘 要: 以三維雷射掃描雷達擷取精确的室内點雲資料為研究對象，提出了一種快速、準确的提取點雲中的模組化資訊和各模型互相關系的方法，對室内三維場景進行重建。首先對室内場景進行多站三維雷射掃描，對獲得的三維雷射點雲資料進行預處理、配準得到整體的點雲模型，然後進行截取取得截面圖，對截面圖進行重繪測量得到其精确資料，最後根據所得資料的特點使用不同的模組化軟體對室内的架構和細部結構分别重建并組合，完成室内模組化工作。
關鍵詞: 雷射雷達 三維點雲 室内模組化 精密測量
1 室内點雲資料模組化流程
以三維雷射掃描器獲得的高精度點雲資料應用于室内模組化，是目前該領域研究的一個熱點方向，本文應用采集到的三維點雲資料進行室内三維場景重建，模組化時根據需要選用Revit和SketchUp模組化軟體，比較兩種軟體在模組化時的優缺點及适用範圍，探尋互動應用的方法，使三維室内模組化工作更快速高效，如圖 1所示。
圖 1 模組化流程
2 室内三維場景重建
SketchUp是最便利的三維草圖制作軟體，模組化直覺，修改和分析也十分友善，有利于模組化初期确定模組化方案。而Revit具有強大的模組化功能，模組化完成時模型實體包含全部的資訊，可以從任何角度、任何位置進行剖切、截取并成圖，保證模型在任何情況下的精确性。但Revit模組化的過程十分複雜且不便于大範圍的修改，是以并不适合草圖制作，對操作者要求較高。
在實際案例中，可以先用SketchUp軟體确定方案後再用Revit模組化，一般對精度要求不是非常高的情況下，可以直接使用SketchUp，這樣可提高模組化效率。
2.1 室内點雲資料的采集及預處理
本文選用FARO和Z+F兩款雷射掃描器，對某地區一工作室進行三維雷射掃描擷取試驗用點雲資料。經過現場踏勘和對待測區域的分析，确定了6個測站的位置，測量時将雷射雷達設定為室内掃描，掃描距離為10 m。
測區含一衛生間一廚房，将客廳部分改為工作場所。整個測區分為3部分，分别設站掃描。掃描後對整個室内情況進行拍照留取照片，留取近50張細緻的照片模組化時進行比較。
1) 使用Cyclone軟體對資料進行預處理，由于多站點雲資料在合并時點雲的釋放量有限，但在點雲處理時需要較高密度。是以在Cyclone的模型空間裡，需要先檢視合并後模型中點的數量并調整模型參數，讓點雲模型的密度更大。
2) 對點雲進行了去噪、去冗、抽稀、簡化等工作獲得點雲模型，并對點雲模型進行截取取得截面圖，将截面圖導入AutoCAD中對點雲截面圖進行重新繪制獲得簡化的截面線劃圖，對線劃圖進行測量獲得特定區域特定物體的參數資訊。
3) 如果資料有缺失，可以通過延長、連接配接、對稱、旋轉等方法擷取所需的資料，分析所得資料，可以标注的在AutoCAD中予以标注，友善模組化工作。
2.2 點雲配準與點雲剖切
點雲資料經過預處理後，需要在剖切前對點雲進行坐标系的轉換，将原始的掃描坐标系轉換為建築坐标系，對多站點雲資料進行合并配準得到整體的點雲資料模型，如圖 2所示。根據這個點雲資料模型，可以了解室内的構造和家具家電等物品的位置資訊，完成後續的各種分析、精确測量及模組化工作。
圖 2 點雲整體模型
将配準好的點雲模型定義到某一特定的建築坐标系下，對點雲資料模型進行橫向和縱向剖切。在Cyclone中打開配準好的點雲模型，使用其中的框選工具對點雲進行選擇，選擇的點雲資料應盡可能少。這是因為雷射雷達掃描時擷取的點雲資料密度大，掃描精度高導緻掃描後的資料量巨大，如果不進行這樣的選擇，不僅會對計算機的硬體産生嚴重的損害，還會浪費很多時間在導入、導出資料上，費時費力。是以選取時應盡可能選取一個薄薄的、資料量少的點雲層作為後續量測和繪制的平面。
選取平面位置時既不能過高也不能過低。選取過高的平面會導緻缺少桌椅、家具和其他物品的位置資訊;過低的平面會導緻平面中的點雲過于複雜混亂、難以分辨，導緻誤差較大，無法精确模組化。
選擇好剖切平面後，需對這個平面進行多次剖切，這樣可以在後續精密量測時平衡剖切時偶然誤差帶來的影響，使模組化更加精确。其截面圖如圖 3所示。
圖 3 橫向與縱向點雲截面圖
2.3 點雲剖面重繪制與量測
将剖切後得到切面點雲資料導出CAD可以打開的.dxf格式，使用AutoCAD打開截取的點雲剖面，如圖 4所示。
圖 4 點雲剖面圖
在剖面圖中重新繪制輪廓。室内模組化與室外模組化不同，從某一單獨部分開始模組化，室内模組化需要一個基礎的架構資訊即房屋内的牆體，有了基礎的架構才能根據截面所得的家具家電的位置資訊完成細部模型的位置擺放。
由于在掃描時牆體會被櫃子座椅等物品遮擋，是以會在很多位置存在點雲資料的空缺，這需要根據沒有被遮擋的位置補全缺失的部分，就可完成整個牆體架構的重新繪制。同理，可以完成一些結構簡單的家具的輪廓繪制。
在CAD中準确地繪制牆體和室内物品的輪廓是最關鍵的一步，準确繪制才能展現室内的确切樣貌，對點雲資料精确地重新表示和重建。否則會導緻模組化不準确，不能順利地完成分析及展示。
同理，在其他截面圖中，如立面截面圖，可以獲得室内物體的高度和位置等資訊，還可以得到頂部的很多細節資訊。本實驗中的屋頂經過裝修，呈現凹凸不平，并安裝了燈具，但是凹凸的高度差又不大，很難在水準方向上擷取到很好的資料，這樣立面截面圖的資訊就顯得尤為重要。
水準方向的橫向截面圖中存在很多的點雲缺失，可能是門、窗等位置或者是因為遮擋而不能擷取資訊。可以在縱向相同位置進行截取來判斷具體屬于哪種情況，如果遮擋可以用其相鄰位置的點雲資料進行延伸和連接配接，補全該位置缺失;如果是門、窗等本身就沒有資料的部位，那麼在其他截面圖中也會在該位置缺失資料。根據具體情況，精确模組化，在模組化時需截取大量的不同方向的截面圖才能完成整個室内三維模型重建。
量測繪制好的基本圖，利用CAD中的量測标志功能對牆體進行測量并予以顯示，為後續模組化提供更加直覺的資料展示。對同一位置的不同截面重繪圖進行量測并取平均值，可以減少偶然誤差帶來的影響，提高模組化的精度。
2.4 室内三維場景重建
室内模組化首先需要将外部牆體架構搭建起來。室内掃描僅能獲得内部牆體的三維點雲資料，在SketchUp中先繪制内部牆體的輪廓;然後根據牆體的厚度即可繪制出外部牆體的輪廓，進而獲得牆體的平面整體架構;最後使用拉伸工具對牆體進行拉伸，使拉伸長度與縱截面資料相吻合，這樣就搭建成一個完整的三維牆體架構(圖 5)。基于三維牆體整體架構就能完成屋頂和室内其他物品的模組化。根據牆體整體輪廓可以繪制屋頂的輪廓;再根據屋頂截面圖即可繪制屋頂三維模型，由室内擷取照片可以看出屋頂還有一些燈具，可以在軟體的自帶模型庫中尋找形式相同或相近的模型放置到相應的位置上，這就完成了屋頂的模組化工作。
圖 5 牆體架構的三維模組化
将窗戶、門等牆體架構的細節部分分别模組化，并添加到牆體架構上，室内物體模組化可以将原本軟體模型庫中已有的模型直接添加到已經完成的三維整體架構模型中，如桌子、櫃子等建立相應的模型模組化。最後将所有的模型賦予材質，使得室内模型更加精細美觀。最後的效果圖如圖 6所示。
圖 6 室内三維場景重建結果圖
3 結束語
本文證明了室内的三維場景重建可以基于離散的三維掃描點雲，通過一系列的步驟将點雲内隐含的結構和形态資訊分析出來，使用一些基礎的操作軟體并利用不同軟體的特點和互相聯系就可以将室内原本的結構資訊，物品的位置資訊和物品之間的互相關系描繪展示出來，對室内地物進行精确的重建，完美的進行了三維場景的複原。同時本文也提出并執行個體驗證了一個基于室内散亂點雲到室内精細三維模型重建的完整流程，并對使用的模組化軟體進行執行個體分析，總結了軟體的優缺點，希望能為需要室内三維模組化的工作提供有益的借鑒。
參考文獻：略
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