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建筑工程

三维激光扫描在城市三维数字景观建模中的应用

文字:[大][中][小] 2019/12/12     浏览次数:    

    当前我国正处于城市化阶段,但是由于规划水平和短视病的影响,出现了百城一面的现象,随着人们认识欣赏水平的提高,不少原有建筑,包括被规划批准的项目已显得与整体不协调,功能不适应, 因此出现炸大楼的现象,造成极大的浪费。

    另外,在老城区的改造中,新建筑、新景观的建设也有单体很美,放入原有的大环境中则不协调造成永久遗憾的现象。

    因此,“未建先看,不留遗憾”成为人们对城市建设的迫切需求。当前,“数字城市”成为城市信息建设的热点,它是综合运用地理信息系统、全球定位系统、遥感、遥测、网络、及虚拟仿真等技术,为城市的基础设施、功能机制的信息自动采集、动态检测管理和辅助决策服务,从而为城市科学管理提供全新的模式。而三维可视化技术是“数字城市”的核心技术之一

只有为用户创建一个身临其境和沉浸其中的环境,在三维数字景观模型中进行三维城市规划和建筑设计才能较好地处理整体与局部的协调关系,并深度开发和整合应用各种与地理分布有关的信息资源,为城市规划、建设和管理等工作提供全新的技术支持与服务手段。

    城市三维景观系统将在三维空间中对城市地形表面以及地表以上的各种自然与人工地物进行三维模拟表现,以使人产生与在真实场景中相同的体验、刺激、感知与印象的数字景观。其中景观模型的快速构建技术是城市三维景观系统的关键技术,城市建筑密度大,加上地形地势复杂,获取城市三维空间信息的任务非常艰巨。如果完全沿用传统的手工建模方式很难在较短的时间内完成大范围三维模型的建设,因此提高建模方式的自动化水平是建设城市三维景观的关键。本文采用三维激光扫描测量技术进行城市空间实体的信息采集,并讨论基于点云快速建模的技术与方法。

一、数据获取

    三维空间信息采集技术的发展非常迅速,城市空间数据采集技术主要有四种:一是传统的测角量边的测量方法,也就是采用地形测量的方法获得建筑物的位置与形状;二是采用摄影测量的方法,就是通过摄影测量的图像处理获得建筑物的位置与形状;三是目前研究较多但还不成熟的车载或机载的移动测量方法,是通过 GPS 定位,INS 或 GPS 定姿,CCD 或激光测距测量的集成系统;四是最新研究的三维激光扫描空间数据采集技术。


二、云数据处理

    三维激光扫描系统是一种非接触式主动测量系统,可进行大面积高密度空间三维数据的采集,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快、不需要建立控制点等特点,且融合了激光反射强度和物体色彩等三维激光影像数据。由于受到设备测量范围和测量方位的限制,往往不能在一个视角中完成所有表面的数字化,需要在多个视角多次定位测量。


三、建模


3.1 规则建筑物建模
    在计算机图形学的应用领域中,物体模型大多采用多边形网格( 通常是三角形网格) 来描述。描述场景中的多边形数目越多,所绘制的图像质量就越高,但是绘制速度也就越慢,从而形成了真实感和实时性不能兼顾的矛盾。建模工作量大且烦琐,所以快速建模技术的运用将是影响整个进度的关键。物体的许多细节通过造型的方法来实现,就使得模型的数据量大大增加,而且也不见得有很好的真实感。
    对于办公楼这种比较规则的建筑物来讲,没有必要如此精细的建模,过多的模型细节会严重降低模拟的效率,在建模过程中,往往要在模型的细节和复杂性之间寻求平衡,必要时用纹理代替模型细节。3DsMax提供的表面贴图方式是增加模型的真实感,并减少数据量的有效途径。为了保证模型应用的灵活性,根据最终的目标要求,对建筑物模型进行结构设计,对关键建筑物可能按照楼层、房间等分别建模管理,而不是仅仅将一栋建筑物当作一个不可拆分的模型看待。因此我们根据实际需要对于大场景的三维景观系统中的模型进行分块,一方面可以减小建模的难度,另一方面在显示过程中可以通过分块显示提高仿真效率。然后根据获取的地形数据、建筑物高度信息、建筑物立面和顶部纹理,利用 3DsMAX 软件实现多边形的处理、贴图、光照以及投影等一系列的建模过程,建立起建筑物模型,导入到已建好的三维场景中即可。


3.2 特殊地物建模
    城市中存在大量的复杂地物,如立交桥、古建筑、雕塑等,多为不规则形体,如何对这些不规则物体建立三维模型成为近年来研究的热点问题。文物保护工作中最重要的是记录文物原始的三维信息和纹理信息,获取真三维真纹理的数字模型,不仅能够实现三维表达和展示,而且为今后的文物修缮和恢复提供重要的数据和模型支持。但是,此类复杂地物使用传统测量方法难以建立起三维数字模型。



四、结语
    在当前流行的三维景观系统中,功能更多地侧重于模型精度以及景观可视化速度与显示效果,因此这些给人们的印象好像仅仅是三维模型浏览器,但其实还可以作为空间对象来承载更多属性信息,可实现精确的空间查询、空间量测、空间分析和应急指挥等功能,可将大比例尺地形图套合在数字正射影像图上对其进行处理,以精确的标出建筑物、道路等的边界。然后,将生成的常规建筑物模型,按其地理位置准确地集成到三维场景模型中;将复杂及标志性地物按其地理位置及正确的比例集成到三维场景模型中。接下来将基于三维数字景观平台,把三维景观模型与空间属性进行关联,实现三维景观与已经建成的各类地理信息系统的有机融合,搭建以实际应用为需求驱动的城市三维景观系统,为城市规划、城市管理等工作提供整合的数字化平台,产生经济和社会效益。


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