三维建模实验教学方法研究论文
摘要：三维激光扫描技术已经开始大量应用于国民经济建设的各个领域，但作为新兴课程刚在各高校中开展教学活动，为了更好地服务于三维激光扫描课程的理论教学活动，本文从三维激光扫描仪参数设置和操作方法开始介绍了激光扫描点云采集实验、激光点云配准方法，着重论述了激光点云的复杂曲面和建筑物实体三维建模的实验方法，这些实验教学方案的实施有利促进了测绘工程专业本科生的综合实践操作技能的提升。
关键词：三维激光扫描；三维建模；教学方法
0引言
《三维激光扫描》课程是针对精细三维模型在城市规划、建筑设计、房产管理、文物保护等领域中的重要用途而开设[1]，但是目前使用地面三维激光扫描仪采集海量激光点云进行自动建模的方法尚不成熟，因为激光点云以三维离散点的方式在空间分布，所以直接通过二维绘图的方法绘制点云实体模型会产生严重的位置偏差。作为新兴课程其理论发展缓慢，多以上机实验掌握激光点云的建模方法为主[2]。针对规则实体的建筑物建模一般选用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等软件实现，而对具有曲面分布点云的建模一般通过构建三角网的方式来完成，在激光点云曲面建模方面GeomagicWrap软件功能强大，编辑灵活，操作方便，在实际实验课上应用最多。针对《三维激光扫描》课程中实验实施内容和过程中存在的问题，本文着重介绍激光点云的数据采集、复杂曲面实体和建筑物建模的教学方法，为该课程的建设提供参考实例。
1激光点云数据的采集实验
地面三维激光扫描仪与传统的测绘仪器（如经纬仪、水准仪、全站仪）在外形、原理和操作方法上有较大的差异，但该仪器起源于传统的测绘仪器（如免棱镜的全站仪），因此，在进行激光扫描实验之前，教师有必要向测绘工程专业学生说明地面三维激光扫描仪的工作原理、数据采集的模式以及与传统测绘仪器的异同点。在此基础上，向学生介绍地面激光扫描仪的架站方法、对中整平方法、单反相机安置方式、电缆和电池的安装方法等基本部件的组装方法，激光扫描仪的长距和高速扫描模式的选择方法、激光点云密度的设置方法、单反相机的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍摄相片的重叠度；向学生讲解使用电缆或无线WiFi连接扫描仪与笔记本电脑的方法、不使用笔记本电脑直接采用激光扫描仪的方法；向学生说明扫描过程中的一些注意事项，如不要触碰三脚架、不要遮挡到所采集地物的激光扫描仪和相机的视场角、不要长时间用眼睛注视扫描仪发射的激光等，还有如何布设强反射标准板的方法；激光扫描完成后，向学生演示如何下载存储激光点云和拍摄的RGB影像数据以及如何导入到激光扫描仪的后处理软件中。一般情况下，一台地面激光扫描仪的价格高达1百万元，因此实验室购置的地面激光扫描仪的数量通常不能满足一个教学班的教学需求，实验课上一般由教师进行演示操作，需要学生实验小组在课余时间分批次地借激光扫描仪进行操作训练。采集地物的过程中往往需要采集多站激光点云数据，然后配准多站激光点云成为一个全面整体的实体数据，这个过程需要完成激光点云的粗配准和精配准2步操作[3]，下面以RieglRiscan软件4站激光点云为例进行说明。在粗配准操作中，以第1扫描站为基准站点，使用RiscanPro软件的粗配准功能在相邻2站之间选择4对强反射标志的圆心位置作为同名特征点对，经过平移和旋转后将另一站激光点云数据配准到第1站上，同理可依次将第3、4站分别配准到第2、3站上，从而完成激光点云数据的粗配准工作。在精配准操作中，利用迭代最邻近（IterativeClosestPoint,ICP）算法在站点对应点云中搜寻最邻近的同名点，根据最邻近点解求刚体变换的旋转和平移参数，这里仍然设置第1站为基准站，保持其位置和角度固定，只需要旋转平移其余3站激光点云即可，通过最邻近点对的不断搜索和变换参数的迭代计算完成点云的`精配准过程，各点云精配准的相对误差控制在毫米精度以内。将精配准后的完整点云数据导出为*.wrl或*.las格式，然后导入到GeomagicWrap软件或MicrostationV8i中显示。
2激光点云复杂曲面实体的建模实验
不同的扫描对象对应不同的三维建模方法，对于复杂的曲面实体可采用GeomagicWrap软件进行三角网建模[4]。由于激光全景扫描过程中扫入了大量不需要的地物，因此首先需要对导入的激光点云进行裁剪操作得到大石头的激光点云，为增强点云显示效果对点云进行着色。教师通过上传实验的视频、操作指导书到网络课程资源平台，先由学生课下预习，然后教师课上演示建模过程。具体需要演示的建模过程如下：1）通过“体外孤点”和“非连接项”删除噪声激光点云，对于少量点云空洞区域，利用“填充孔”功能添加少量激光点。2）使用“棱柱形（保守）”工具减少点云噪声，使用“曲率采样”的方式重采样激光点。3）生成三角网后，仍需要“填充孔”工具修补模型孔洞，采用“去除特征”、“删除钉状物”和“砂纸”工具平滑对象表面，采用“网格医生”命令修复多边形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出边界”工具制作底部平台。4）根据“纹理贴图”功能，生成“生成纹理贴图”，为对象的对应各个侧面和顶面映射纹理图像，其中纹理图像需要提前在Photoshop软件中进行斜切、图像增强等编辑操作。
3激光点云三维建筑物建模实验
针对规则建筑物实体的建模方法，应采用传统的建筑类设计和规划软件比较适合，本文选择Microstation软件进行建模实验，该软件具有二三维设计和激光点云导入功能，操作简便，易于上手，适合本科生练习使用。首先，设计10个学时的时间教授该软件的二维对象绘图、三维位置精确绘图、辅助坐标系、三维对象的精确绘图、三维模型的高级编辑功能，促使学生掌握该软件的基本绘图、编辑和三维建模功能，以此为基础，再花费4个学时的时间讲解激光点云的三维建模方法，重点教授激光点云特征点捕捉方法、激光点云建筑物轮廓线绘制方法、辅助坐标系在点云绘图中的应用、三维模型纹理映射、光照设置、渲染设置等操作方法，通过几个三维模型绘制的实例将学生传统的二维绘图视野转换到三维空间世界，这些实验需要保证学生拥有充足的时间消化理解三维建筑物建模的原理和方法。
4结束语
地面三维激光扫描仪作为测绘新技术已经在测绘相关的领域发挥了巨大作用，该课程教学活动已在高等学校中开展，通过介绍激光扫描仪的采集方法，阐述基于激光点云的复杂实体曲面建模实验实施方案，简介了基于激光点云的三维建筑物建模实验过程，丰富了三维激光扫描课程的三维建模实验教学内容，提高了实验教学的水平，增强了测绘工程专业本科生的实践操作技能，为三维激光扫描课程的教学提供了实验教学参考。
参考文献：
[1]曲相屹,王伟,孙晓东等.三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用[J].山东工业技术,2016(22):99.
[2]李峰,刘小阳,孙广通等.三维激光扫描课程的教学实践探索[J].科技视界,2017(16):60+66.
[3]陈茂霖,卢维欣,万幼川等.无附加信息的地面激光点云自动拼接方法[J].中国激光,2016(04):212-220.
[4]李晓双,宋彬,郑丹.基于Geomagic的复杂实体三维点云建模研究[J].测绘与空间地理信息,2017(06):130-132.
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