三維建模實(shí)驗教學(xué)方法研究論文
摘要：三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始大量應用于國民經(jīng)濟建設的各個(gè)領(lǐng)域，但作為新興課程剛在各高校中開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，為了更好地服務(wù)于三維激光掃描課程的理論教學(xué)活動(dòng)，本文從三維激光掃描儀參數設置和操作方法開(kāi)始介紹了激光掃描點(diǎn)云采集實(shí)驗、激光點(diǎn)云配準方法，著(zhù)重論述了激光點(diǎn)云的復雜曲面和建筑物實(shí)體三維建模的實(shí)驗方法，這些實(shí)驗教學(xué)方案的實(shí)施有利促進(jìn)了測繪工程專(zhuān)業(yè)本科生的綜合實(shí)踐操作技能的提升。
關(guān)鍵詞：三維激光掃描；三維建模；教學(xué)方法
0引言
《三維激光掃描》課程是針對精細三維模型在城市規劃、建筑設計、房產(chǎn)管理、文物保護等領(lǐng)域中的重要用途而開(kāi)設[1]，但是目前使用地面三維激光掃描儀采集海量激光點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)建模的方法尚不成熟，因為激光點(diǎn)云以三維離散點(diǎn)的方式在空間分布，所以直接通過(guò)二維繪圖的方法繪制點(diǎn)云實(shí)體模型會(huì )產(chǎn)生嚴重的位置偏差。作為新興課程其理論發(fā)展緩慢，多以上機實(shí)驗掌握激光點(diǎn)云的建模方法為主[2]。針對規則實(shí)體的建筑物建模一般選用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等軟件實(shí)現，而對具有曲面分布點(diǎn)云的建模一般通過(guò)構建三角網(wǎng)的方式來(lái)完成，在激光點(diǎn)云曲面建模方面GeomagicWrap軟件功能強大，編輯靈活，操作方便，在實(shí)際實(shí)驗課上應用最多。針對《三維激光掃描》課程中實(shí)驗實(shí)施內容和過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文著(zhù)重介紹激光點(diǎn)云的數據采集、復雜曲面實(shí)體和建筑物建模的教學(xué)方法，為該課程的建設提供參考實(shí)例。
1激光點(diǎn)云數據的采集實(shí)驗
地面三維激光掃描儀與傳統的測繪儀器（如經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀）在外形、原理和操作方法上有較大的差異，但該儀器起源于傳統的測繪儀器（如免棱鏡的全站儀），因此，在進(jìn)行激光掃描實(shí)驗之前，教師有必要向測繪工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生說(shuō)明地面三維激光掃描儀的工作原理、數據采集的模式以及與傳統測繪儀器的異同點(diǎn)。在此基礎上，向學(xué)生介紹地面激光掃描儀的架站方法、對中整平方法、單反相機安置方式、電纜和電池的安裝方法等基本部件的組裝方法，激光掃描儀的長(cháng)距和高速掃描模式的選擇方法、激光點(diǎn)云密度的設置方法、單反相機的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍攝相片的重疊度；向學(xué)生講解使用電纜或無(wú)線(xiàn)WiFi連接掃描儀與筆記本電腦的方法、不使用筆記本電腦直接采用激光掃描儀的方法；向學(xué)生說(shuō)明掃描過(guò)程中的一些注意事項，如不要觸碰三腳架、不要遮擋到所采集地物的激光掃描儀和相機的視場(chǎng)角、不要長(cháng)時(shí)間用眼睛注視掃描儀發(fā)射的激光等，還有如何布設強反射標準板的方法；激光掃描完成后，向學(xué)生演示如何下載存儲激光點(diǎn)云和拍攝的RGB影像數據以及如何導入到激光掃描儀的后處理軟件中。一般情況下，一臺地面激光掃描儀的價(jià)格高達1百萬(wàn)元，因此實(shí)驗室購置的地面激光掃描儀的數量通常不能滿(mǎn)足一個(gè)教學(xué)班的教學(xué)需求，實(shí)驗課上一般由教師進(jìn)行演示操作，需要學(xué)生實(shí)驗小組在課余時(shí)間分批次地借激光掃描儀進(jìn)行操作訓練。采集地物的過(guò)程中往往需要采集多站激光點(diǎn)云數據，然后配準多站激光點(diǎn)云成為一個(gè)全面整體的實(shí)體數據，這個(gè)過(guò)程需要完成激光點(diǎn)云的粗配準和精配準2步操作[3]，下面以RieglRiscan軟件4站激光點(diǎn)云為例進(jìn)行說(shuō)明。在粗配準操作中，以第1掃描站為基準站點(diǎn)，使用RiscanPro軟件的粗配準功能在相鄰2站之間選擇4對強反射標志的圓心位置作為同名特征點(diǎn)對，經(jīng)過(guò)平移和旋轉后將另一站激光點(diǎn)云數據配準到第1站上，同理可依次將第3、4站分別配準到第2、3站上，從而完成激光點(diǎn)云數據的粗配準工作。在精配準操作中，利用迭代最鄰近（IterativeClosestPoint,ICP）算法在站點(diǎn)對應點(diǎn)云中搜尋最鄰近的同名點(diǎn)，根據最鄰近點(diǎn)解求剛體變換的旋轉和平移參數，這里仍然設置第1站為基準站，保持其位置和角度固定，只需要旋轉平移其余3站激光點(diǎn)云即可，通過(guò)最鄰近點(diǎn)對的不斷搜索和變換參數的迭代計算完成點(diǎn)云的`精配準過(guò)程，各點(diǎn)云精配準的相對誤差控制在毫米精度以?xún)�。將精配準后的完整點(diǎn)云數據導出為*.wrl或*.las格式，然后導入到GeomagicWrap軟件或MicrostationV8i中顯示。
2激光點(diǎn)云復雜曲面實(shí)體的建模實(shí)驗
不同的掃描對象對應不同的三維建模方法，對于復雜的曲面實(shí)體可采用GeomagicWrap軟件進(jìn)行三角網(wǎng)建模[4]。由于激光全景掃描過(guò)程中掃入了大量不需要的地物，因此首先需要對導入的激光點(diǎn)云進(jìn)行裁剪操作得到大石頭的激光點(diǎn)云，為增強點(diǎn)云顯示效果對點(diǎn)云進(jìn)行著(zhù)色。教師通過(guò)上傳實(shí)驗的視頻、操作指導書(shū)到網(wǎng)絡(luò )課程資源平臺，先由學(xué)生課下預習，然后教師課上演示建模過(guò)程。具體需要演示的建模過(guò)程如下：1）通過(guò)“體外孤點(diǎn)”和“非連接項”刪除噪聲激光點(diǎn)云，對于少量點(diǎn)云空洞區域，利用“填充孔”功能添加少量激光點(diǎn)。2）使用“棱柱形（保守）”工具減少點(diǎn)云噪聲，使用“曲率采樣”的方式重采樣激光點(diǎn)。3）生成三角網(wǎng)后，仍需要“填充孔”工具修補模型孔洞，采用“去除特征”、“刪除釘狀物”和“砂紙”工具平滑對象表面，采用“網(wǎng)格醫生”命令修復多邊形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出邊界”工具制作底部平臺。4）根據“紋理貼圖”功能，生成“生成紋理貼圖”，為對象的對應各個(gè)側面和頂面映射紋理圖像，其中紋理圖像需要提前在Photoshop軟件中進(jìn)行斜切、圖像增強等編輯操作。
3激光點(diǎn)云三維建筑物建模實(shí)驗
針對規則建筑物實(shí)體的建模方法，應采用傳統的建筑類(lèi)設計和規劃軟件比較適合，本文選擇Microstation軟件進(jìn)行建模實(shí)驗，該軟件具有二三維設計和激光點(diǎn)云導入功能，操作簡(jiǎn)便，易于上手，適合本科生練習使用。首先，設計10個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間教授該軟件的二維對象繪圖、三維位置精確繪圖、輔助坐標系、三維對象的精確繪圖、三維模型的高級編輯功能，促使學(xué)生掌握該軟件的基本繪圖、編輯和三維建模功能，以此為基礎，再花費4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間講解激光點(diǎn)云的三維建模方法，重點(diǎn)教授激光點(diǎn)云特征點(diǎn)捕捉方法、激光點(diǎn)云建筑物輪廓線(xiàn)繪制方法、輔助坐標系在點(diǎn)云繪圖中的應用、三維模型紋理映射、光照設置、渲染設置等操作方法，通過(guò)幾個(gè)三維模型繪制的實(shí)例將學(xué)生傳統的二維繪圖視野轉換到三維空間世界，這些實(shí)驗需要保證學(xué)生擁有充足的時(shí)間消化理解三維建筑物建模的原理和方法。
4結束語(yǔ)
地面三維激光掃描儀作為測繪新技術(shù)已經(jīng)在測繪相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，該課程教學(xué)活動(dòng)已在高等學(xué)校中開(kāi)展，通過(guò)介紹激光掃描儀的采集方法，闡述基于激光點(diǎn)云的復雜實(shí)體曲面建模實(shí)驗實(shí)施方案，簡(jiǎn)介了基于激光點(diǎn)云的三維建筑物建模實(shí)驗過(guò)程，豐富了三維激光掃描課程的三維建模實(shí)驗教學(xué)內容，提高了實(shí)驗教學(xué)的水平，增強了測繪工程專(zhuān)業(yè)本科生的實(shí)踐操作技能，為三維激光掃描課程的教學(xué)提供了實(shí)驗教學(xué)參考。
參考文獻：
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