基于海量点云数据的电力杆塔三维模型重建

基于海量点云数据的电力杆塔三维模型重建

吴昌亭 白宇 张乐

国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司 辽宁省朝阳市 122400

摘要：三维激光点云的应用，可以有效提高既有电力杆塔 BIM 建模效果。在实践中，技术人员可以有针对性的选取多源点云数据融合技术，进行不同渠道获取的三维激光点云数据处理。进而利用数据归一化建模技术，在 Revit软件、点云后处理软件 3DR 中，结合移动背包轨迹参数，进行点云验证及族创建、材质参数赋予，最终获得与要求相符的三维模型。鉴于此，本文主要分析基于海量点云数据的建筑物三维模型重建。

关键词：海量点云数据；电力杆塔；三维模型

中图分类号：TU17 文献标识码：A

1、引言

数字城市的出现推动了电力杆塔三维建模技术的快速发展。城市数字化的基础就是三维建模，将电力杆塔的平面图扩展为三维立体模型，三维建模表示城市更加具体更加生动，所以我们需要一种不仅要满足精度要求而且要高效率的建模方法。

2、概述

随着计算机视觉技术广泛应用于虚拟现实、数字城市等各种领域，更便捷、更高效地获取和构建电力杆塔三维模型成为当前研究热点，进而推动计算机视觉算法和应用的完善。运用相关算法对普通数码相机采集的多视图像序列构建地物三维模型，具有使用广泛、应用便捷等优点，在三维模型构建领域应用最为广泛。

目前基于多视图像序列的电力杆塔三维模型构建算法的研究，学者们主要集中于图像来源和算法改进两个方面。在图像来源方面，学者们充分利用数码相机获取的影像及相关线化图实现房产测量和建筑物三维重建。Barros使用手持相机模拟无人机拍摄并利用物体周围的特征，获得每幅图像的摄像机标定参数使用像对完成三维建模。

3、建模的方法和步骤

3.1、数据采集

使用全站仪对电力杆塔的特征点进行数据采集，所获取的特征点数据用来实现对电力杆塔的三维建模，所采集特征点的坐标为电力杆塔的真实三维坐标，建立的三维模型同样为真三维模型。

3.2、电力杆塔线框图的生成

将电力杆塔的特征数据导入 AutoCAD 中，对所采集的特征点在 AutoCAD 中进行自动展点和初步连线，形成电力杆塔的三维线框图。

3.3、电力杆塔的建模

使用 3DMax 软件打开“线框图. DWG 文件”，对整体视图中的图形进行重组、旋转，对电力杆塔的线框图进行编辑、绘制并建立三维建模。

3.4、模型材质编辑及渲染

在 3DMax 中创建的模型，视觉上你只能看到最初建立的模型你所赋予给的颜色， 但是通过材质自身的参数控制可以模拟现实世界中的各种视觉效果。 纹理贴图是一个用图像、 函数或者其他数据源来改变表面外观的过程。 开始纹理贴图前， 需根据实际的电力杆塔的材质和颜色进行不同的材质纹理照片采集，这样可以使我们建立的模型更加逼真，这些照片可以在确定测量的电力杆塔时就可以用相机获取， 这样在赋予材质和贴图时，会节省时间压缩工作量，加快建模速度，做到更加真实的效果。

3.5、效果图后期处理

效果图经过后期的 PS 处理会更加真实，在数据采集时可以拍摄一张测建筑物及周围环境的照片，方便进行成果图的后期对比。 效果图本身就是一种追求精致和真实的艺术，对效果图的整体对比度、色彩分布的调整， 可以使用 PS 软件给效果图加入滤镜，这样使效果图变得更加真实、自然；通过给效果图加入一些人物、植物、天空等，可使效果图更具生气及表现力。 后期处理不但可以大大提高效果图整体效果，还可以在效果图中补充一些细节，使效果更加真实完善。

4、基于海量点云数据的电力杆塔三维模型重建

4.1、点云数据的获取

①确定扫描距离。数据采集前，通过实验确定数据采集的最佳距离。在相同外部条件下，扫描仪分别在 10 m，30m，50 m，100 m，125 m，150 m 距离处进行扫描，每个距离扫描 5 次取平均值，同时在设站处使用全站仪进行测量[17]。根据扫描、测量结果，计算各距离扫测中的误差及内、外符合精度。结果表明，100 m 范围内，扫描仪精度及稳定性较高，距离越近，精度越高，符合建模精度要求。综合考虑精度及外业扫描工作量，确定 25 m 为三维建模时数据采集距离。②现场踏勘。“红楼”周边绿植较多，部分墙体被树木遮挡，增大了数据采集的难度。测站数多，固然能获取足够数据，但数据冗余度大；同时，测站过多，会降低测站整体拼接精度。③扫描点布设。结合现场踏勘情况，挑选合适角度，最终确定四个扫描点，分别位于“红楼”的四角。④布设标靶。点云拼接时，需要标靶提供特征点。标靶不能集中，必须均匀分布，拼接时需要三个以上标靶同时出现在两个测站内，并且标靶不能在同一直线上。⑤数据采集。数据正式采集前，先预扫，确定扫描角度，同时确定扫描参数，保证数据充足而不冗余、数据精度高。数据采集时，每个测站做好详细记录，如遇突发情况，随时暂停并重测。点云采集完成后，进行纹理采集，采用高分辨率照相机，控制拍摄角度、拍摄光线、所拍墙体部位，确保纹理完整、清晰。

4.2、建模

既有建筑三维建模内容涵盖了窗台、外墙与房顶结构、墙面凹凸造型、室内楼层结构、外露管线、楼梯扶手、正面轮廓结构、墙上立柱等。需要在构件识别的基础上，创建柱族、门窗族、墙体族、楼板族、基础族以及室内管线，并进行纹理贴图与材质设置。

在构件识别时，可以选择以上下环境为基础的检测方法，先检测简单识别难度小的目标，后以拓扑网为基础进行复杂识别难度大的构件类别识别。比如，利用 Pu、Vosselman 使用特征进行墙壁检测，进而进行墙壁内窗户检测。部分情况下，也可以依托分割的平面点云集合，以平面法向方向判断为依据，选择不同的检测方法。在平面法向方向为水平时，可以水平面与数值边比值、垂直边长度为依据，判断两侧面、墙立面的几何轮廓特征；在平面法向方向为垂直时，可以长宽轮廓比为依据，进行板平面、梁底面的几何轮廓特征判断。

在族创建过程中，需要将图元作为基本元素，如板轮廓边界、墙底标高、梁顶高等，通过直接利用或修改、自定义等方式，获得参数化的族构件。特别是对于既有建筑中结构较为复杂的异性件，需要依托前期收集的点云数据进行真实形态的直观还原。

以叠层墙模型创建为例，可以直接采用代码 Public Walls Create（Double）输入指定墙类型、厚度、高度、位置进行形态还原。在族创建完毕之后，可以利用 BIM 软件——Revit 自带的模型透视效果查看与漫游动画创建渲染功能，赋予各构件一定材质参数。即依托材质浏览器，进行所需材质设定，或者导入自定义的材质库自行设置。并利用外观选项卡，进行图片旋转、缩放、平移操作，保证后期贴敷的纹理信息与实际场景一致。

5、结束语

现在测量手段非常多， 三维建模的软件更是层出不穷，而且三维建模的方法也是不计其数。随着倾斜摄影、三维激光扫描和 BIM 等先进技术的推广普及，为三维建模技术及应用提供了更多的技术手段。未来建模方法会更加高效，模型的几何精度更高、模型的细节和纹理更加真实， 三维建模技术在城市数字化管理、现代化矿山建设、电力杆塔（工业）设计等领域广泛应用。

参考文献：

[1]贾雪,刘超,徐炜,赵兴旺.海量点云数据的建筑物三维模型重建[J].测绘科学,2019,44(04):124-129+181.

[2]赵传. 基于机载LiDAR点云数据的建筑物三维模型重建技术研究[D].解放军信息工程大学,2017.

[3]扬凯. 基于激光点云数据的建筑物三维模型重建研究[D].江西理工大学,2016.