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基于影像点云的三维激光扫描仪成图与建模软件

基于影像点云的三维模型构建

        随着信息技术的发展,数字城市的建设在全国已经形成一个势不可挡的浪潮。城市的地形与三维信息快速采集与提取是当前数字城市建设的热点与难点。基于三维激光扫描数据的数字测图与三维建模已日益成为非常有竞争力的数据获取手段之一,在许多应用中都需要用该手段快速而准确的获取地形与三维场景信息。但目前市面上采用的测图与建模方法基本上只基于激光点云数据,而点云的可视化效果与可视性不强,导致成图与建模判读困难、速度慢、成果质量不理想。

        三维激光测量技术的发展,使多平台和多传感器集成技术成为数据获取的一种趋势。在数据获取与处理应用方面,已不是简单利用单一的点云数据,而是向多源数据融合以及更深入的应用发展。三维激光扫描仪可实时获取物体的空间三维几何信息,高分辨率数码相机得到高质量的二维纹理数据,两者对目标的描述具有互补性。为实现快速可视化的成图与建模,本文提出了一种将影像和三维点云数据进行融合处理,基于影像点云的三维激光成图与建模方法,并在自主研发的三维激光成图与建模软件进行了验证与应用。成图与建模过程中可同步显示影像与点云数据,增加成图与建模过程中的可视化效果,加快了数据采集与提取的速度,并基于影像解决了因部分点云数据缺失而无法获取三维空间信息的问题。



         影像点云 
        三维激光扫描仪一般能同时获取两种数字产品——全景影像和激光点云数据。三维激光点云是物体表面的高精度三维坐标,通过点云直接可以获取地物坐标及特征信息,具有密度大,精度高、数据量大等特点,但没有纹理和颜色信息,表现不直观,点云的这些特点导致单纯利用点云难以对地物进行判读、分类、测量,制约着点云的应用。
        全景影像数据具有形象的纹理和颜色信息,可以作为三维激光点云数据的纹理补充。将点云与全景影像数据进行配准,融合两者信息,通过三维激光点云可以找到对应影像像素,进行点云着色,反之以全景影像作为展现载体,通过影像素坐标可以找到对应三维激光点云,进行地物量测,使两种数据产品拥有统一的坐标系统,相互空间关联,一起可称为影像点云数据。基于这种数据可以开发一种全景影像为前台表现,以点云为后台支撑的全新数字测图与建模软件,可直接利用全景影像进行地物判读采集、测量、建模、直接进行三维纹理映射等,大大提高成果生产可视化的效果,便于判读。

       基于影像点云的成图与建模流程

        基于影像点云的成图与建模作业流程步骤如下:
        1、通过三维激光扫描仪获取原始点云和全景影像数据,将输出的点云和全景影像数据,以工程化的方式管理;
        2、原始点云预处理:对原始点云进行拼接、去噪、分类、滤波处理等,输出预处理后的点云数据; 
        3、点云与全景配准:将三维点云和全景影像关联并自动配准映射,输出影像点云数据; 
        4、基于影像点云的数字成图:
       (1)以点云渲染(按照Z值、反射强度、地物分类等)方式,进行地物要素判读。通过自定义符号库,进行点、线、面状地物要素采集; 
       (2)以全景影像方式进行地物要素判读,利用影像点云,直接在全景影像上进行地形图测绘采集; 
         5、基于影像点云的三维建模: 
       (1)在三维点云俯视图上,利用点云切面,快速勾画建筑物水平截面的轮廓线,自动利用点云计算建筑物高度将轮廓进行拉伸,构建建筑物模型;
       (2)全景纹理贴图:对于构建好的建筑物模型,支持通过与全景影像融合进行纹理提取,在三维模型中显示与其对应的贴图纹理;
       (3)其他三维地物采集:道路面、立杆行道树批量三维建模处理; 

        基于影像点云的成图与建模软件 
        武汉海达数云技术有限公司,针对目前基于三维激光点云及数字城市应用的迫切需求,自主研发了基于影像点云的专业成图与建模软件,可为用户提供集海量点云与全景数据动态浏览、三维建模与纹理提取、地形测绘与建库等于一体的生产平台软件,该软件支持处理地面三维激光点云、车载三维激光点云等数据。 



影像点云成图与建模软件界面



        软件介绍 




        海达数云影像点云成图与建模软件是在AutoCAD平台下进行的二次开发,最终以AutoCAD软件插件的形式进行发布。由于利用AutoCAD平台,在作业操作习惯上可兼顾现有大量生产单位的作业习惯。影像点云成图与建模软件能将全景影像与点云严密配准融合,实现测图、建库和建模一体化。其功能特点包括:(1)采用硬件加速,支持海量点云数据(千万级点云)的处理,三维浏览顺畅;支持TB级海量点云和全景影像动态数据加载;(2)三维点云和全景影像关联与自动配准映射;(3)可直接在全景影像上进行三维建模与纹理提取,输出标准3DS模型;(4)支持全景影像地形图测绘与建库,提供系列比例尺地图符号库。

        关键技术 

        AutoCAD平台二次开发 

        AutoCAD作为一种通用绘图软件,其应用面非常广。AutoCAD对于海量点云的支持可利用自身的PCG索引点云格式,其读取点云数据的速度能够达到应用要求,加上AutoCAD最终需要输出的线划图、三维模型成果数据格式都与后续处理应用软件(ArcGIS、3DMax等)可无缝对接。因此在AutoCAD平台上作二次开发是最佳方式。



        Autodesk公司提供了4种针对AutoCAD软件的二次开发工具:Auto Lisp、ADS、VBA和ObjectARX。其中ObjectARX是全新的开发技术,其提供了以C++/C#为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口,能真正快速地访问AutoCAD图形数据库,且以动态连接库的形式简洁高效地实现许多复杂的功能,是AutoCAD新一代的二次开发工具。鉴于上述ObjectARX的技术优势,因此本软件采用了借用VS2010(VC++)和ObjectARX搭配进行开发的方式。


         海量点云数据处理技术

        由于激光点云数据是海量数据,显示大范围的数据时,如果将所有数据全部加载进来,会极大影响系统速度,系统将对点云数据建立索引来解决这一问题。

        本软件使用二维索引图管理点云数据,能有效地组织和管理大范围点云数据。操作人员每次打开工程文件,在二维索引图上选取三维场景,这样有效地解决了多个点云数据共存的问题。

        自定义可扩展地图符号库 

        在AutoCAD系统平台之上建立地图符号库,通常情况下有两种方法:第一是直接用AutoCAD的自定义功能定义符号库,如用定义图块(BLOCK)功能制作点状符号库、用定义线性功能制作线型符号库;第二是根据符号特征,编写相应的程序来建立符号库。本软件使用AutoCAD的自定义功能和程序设计相结合的方法建立完整的自定义地图符号库。


        自定义的符号库要既能适应AutoCAD本身的自定义功能又能够满足程序设计方法设计的地图符号库要求,就必须从符号库的设计思路和实现方法这两方面对符号库进行设计开发。从程序的角度来考虑,可以把地图符号分成点符号、线符号、和函数符号三类。点符号专指能用Aut0CAD图块或者AutoCADSHAPE(形)表示的符号;线符号专指能用AutoCAD线型定义功能定义的符号;函数符号是指用程序设计的方式实现符号绘制的符号。

        贴图与模型同步的相关技术 

        在对某一处全景影像拍摄处进行细部浏览时,系统会根据点云找到与之匹配的影像数据,而如何将点云与全景影像进行匹配是需要解决的问题。


        由于全景相机在拍摄时可以得到相机的坐标位置、镜头的角度和焦距等信息,从而可以得到相片中每一个像素点的真实地理坐标值。而三维激光在获取点云数据时,同样可以根据三维激光的位置、激光发射的角度以及距离等信息,得到点云的真实地理坐标值。这样在同一地理坐标系下,二者是可以进行一一对应的,因而能够使贴图与模型同步。 


        另外,全景影像是全景相机360度旋转拍摄的一系列照片的组合,有些照片并不正对建筑物立面,因此需要对相片做正射变换纠正,将建筑物立面贴图转换为规则图形。

        主要功能与展示 

        海达数云影像点云成图与建模软件主要分为四大功能模块:数据管理、数据浏览、数字成图、三维建模。


        数据管理 


        数据管理功能主要包括工程文件管理、成果数据管理。 

        工程文件是保存作业人员工作状态的文件,便于作业人员随时编辑工程。工程文件里存放区域场景的集合、操作历史记录和二维地图索引等信息。 

        成果数据管理负责管理最终生成的成果数据:包括测图线划图、三维模型(dxf模型和png贴图)等数据,并提供多种灵活的导出方式。


         数据浏览 

         数据浏览主要包括二维索引图浏览、工作空间三维浏览、全景影像浏览。在二维索引图浏览中,作业员可以框选场景区域,平移索引图以及缩放索引图。在三维浏览中,作业员可以进行多种操作,以便于对场景进行多尺度、多视角三维浏览。在全景视图中,作业员可以叠加点云显示,可以对全景进行360度旋转、缩放浏览等。


        数字成图 


        数字成图是基于点云和全景的地图测图与建库,提供完善的地图符号库,并支持用户自定义地图符号。提供丰富的数据输出接口,支持常用GIS数据格式导出。主要包括可扩展地图符号库、基于点云地形图测绘、基于影像点云地形图测绘。 


        可扩展地图符号库依照国家测图系列比例尺符号标准将符号按照九大类进行了预设,如有特殊需要补充图式符号,用户可以按照规则进行自定义扩展。 


        用户在符号库中选择了要进行采集的地物要素后,可以在三维点云视图中进行采集,也可以在全景视图中利用影像点云的特点进行采集,由于全景影像更加直观,测图更加方便、快捷。例如某一个下水井盖地物要素,在离散的三维点云视图中一般很难进行判读,如果在相应的全景影像中就非常直观的能够判读出来。 

        三维建模 

        三维建模基于点云和全景数据的建模功能模块,通过点云构建目标的三维模型,通过和点云配准了的全景影像(影像点云),对模型进行纹理贴图,可以很方便的进行三维模型的建设。另外,软件提供预定义模型库,并支持自定义模型,能够快速、批量插入预定义模型。本功能模块主要包括模型构建、贴图同步、其他三维地物采集三部分。 


        模型构建:由于建筑物主要由矩形面片构成,可根据选中的点云自动拟合面、线,提高建模效率,为作业人员提供各种快速建模的构造工具。 


        贴图同步:提供点击模型面片确定贴图的功能,作业人员点击一个建筑的面片,系统将显示出同一地物的全景相片,并在相片上显示出根据模型坐标初步计算出的顶点。此时用户可以使用手动裁切贴图的功能,选出最准确的面片顶点。接着利用正射变换将得到面片贴图的正射影像。最后将贴图附在模型上,同时在元数据文件中记录,便完成了一个建筑物模型面片的制作。


        其他三维地物采集:主要实现对道路边线、道路中心线、隔离带、树木(树池中树木和隔离带中树木)以及立杆的特征提取和参数化建模。 

         结束语 


         三维激光扫描仪外业作业具有数据获取速度快、点位测量精度高、实时性强等优点。相反和扫描外业作业的优点相比,内业数据的处理就有工作量大、时间长、效率低等特点。因此,本文从内业数据处理入手,结台海达数云影像点云成图与建模软件展示了一种新的基于三维激光的测图与建模方法,即基于影像点云的数字成图与建模方法,测图与建模过程中同步显示全景与点云数据,增加了作业过程中的可视化效果,加快作业速度,并解决测图与建模过程中内业判读、作业效率、真实性、实时性之间的矛盾。

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