电子信息论文发表建筑物点云数据的建模与管理
发布时间：2013-08-03
摘 要：目前，三维激光技术的出现已经为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维景观时，能够完整并高精度地重建扫描实物数据。本设计主要通过AutoCAD Map 3D软件，以复杂实体点云数据和CAD地形图为基础，制作了辽宁工程技术大学校园的三维立体图。文中详细介绍了通过AutoCAD Map 3D利用点云数据建模的过程，包括：点云数据的采集、点云数据的处理、模型的制作、校园三维图的渲染、地表DEM的建立和属性信息建立等。重点阐述在AutoCAD Map 3D环境下建筑物点云数据建模及属性信息的建立，最终实现了对校园三维景观的浏览和属性信息查询的功能。此功能的实现有助于学生、教职工及来访相关人员对校区布局及功能有个方便、快捷、直观的认识，并为校园的数字化建设做一个铺垫。
关键词:AutoCAD Map 3D,点云数据,三维建模,属性信息,核心论文发表网,职称论文发表网
随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。三维激光扫描技术为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维景观，效果很好并具有良好的可扩展性和可量测性[1]。该系统将成为校园新的信息源，用户可以图文并茂地查询校园信息，获得最为直接的效果。校园三维景观的建立与管理可以提高校园的知名度，可为学校带来可观的社会效益。
1 三维激光扫描技术概述
三维激光扫描技术出现于上世纪80年代，将其引入测量装置中，在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势，许多高技术公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究中。三维激光扫描测量技术是最近发展迅速的一种新技术，已成为空间数据获取的一种重要技术手段。基于地面的三维激光扫描系统可用于城市三维重建和局部区域空问信息获取，目前正引起广泛的关注，也是三维激光扫描技术发展的一个重要方向[2]。
2 AutoCAD Map 3D概述
AutoCAD Map 3D具有强大的地图制图和信息管理功能，它包含AutoCAD所有功能，在此基础上不仅可以做出逼真的三维模型而且还可以对属性信息进行管理，它可以作为地理信息系统(GIS)的前端数据采集软件[3]。AutoCAD Map 3D采用先进的数据库管理制图,采用可视化界面,使得人机交互友善,用AutoCAD Map 3D对点云数据的三维建模在国内外已有了成功的应用。它提供了大量的与复杂实体有关的信息服务。在GIS方面有广泛的应用前景。
3 AutoCAD Map 3D下点云数据的建模与管理
3.1 建立流程
首先是地理数据数字化。在Cyclone下完成点云数据的预处理，在ERDAS和ArcGIS下完成影像数据的预处理，并获得校园二维地图，导入AutoCAD Map 3D中建立三维场景。
其次是校园三维模型的建立。利用AutoCAD Map 3D对复杂实体的点云数据建模及简单实体建模。
再次是校园三维实体管理系统的建立：
1)AutoCAD Map 3D中建立三维场景：复杂点云数据建模、地表DEM、规则建筑物建模、导入复杂建筑物、完成三维场景的纹理映射、光照与渲染。
2)在AutoCAD Map 3D下建立实体的属性信息。
3)实现数据管理、三维浏览、实体信息查询等功能。
3.2 点云数据的获取与预处理
利用三维激光扫描仪获取点云数据，首先进行设站，由于利用扫描仪获取的数据只能是实际物体的一面，即可以扫描到的物体表面，所以为了获取实际物体整个表面的数据就要多设站，进行多次的扫描来获取点云。对于大鹰雕像，获取数据时可设三站，正面设一站，然后每隔120°设一站，这样就能够扫描到整个雕像表面，使得数据完整。站点与实际物体的距离要控制在50到100米之间。
然后，进行布设控制点，布设控制点必须遵循一条原则就是控制点所设的位置必须使三维激光扫描仪每两站扫描到的控制点至少要有三个是相同的。这样才能在点云预处理的过程中进行单景数据的拼接。在以上准备工作做完后，接下来就进行扫描过程，将仪器架设在第一站上，进行数据连接，区域设置，参数设置，开启扫描空间，完成扫描。获取完一个站点的数据后再将仪器转到下一个站点进行同样步骤来获取数据。最终数据以.imp格式进行存储。
通过相邻扫描站的拼接、数据的去噪处理、数据的过滤处理和点云图像的导出完成点云数据的预处理。
3.3 ERDAS和ArcGIS下影像数据的预处理
ArcGIS作为世界上应用最广泛的GIS软件之一,可完成大量矢量数据、影像数据的管理,并对多种数据进行融合、转换和建立拓扑关系等。ERDAS不但精于处理栅格数据,而且处理矢量数据的功能也十分强大,特别是与ArcGIS数据格式的无缝兼容,可以不经转换地读取、查询、检索ArcGIS生成的Coverage,Grid,Shapefile,SDE矢量数据,非常方便地进行跨平台数据处理和数据交换,并提供了多种动态观察功能,从而高效快捷地创造一个虚拟三维真实世界[4]。通过数据准备和参考系统的选择与投影坐标系的统一完成校园影像数据的预处理。基于ArcGIS和ERDAS IMAGINE软件系统可以很方便地实现空间特征的三维可视化,可以在不需要复杂编程的情况下很方便地解决现实中的具体问题,使该技术的应用范围大大拓宽。
3.4 模型的建立
对于复杂点云数据建模流程：
1)Cyclone中将拼接完成的建筑物点云数据导出形成DXF格式文件，同时在点云中提取建筑物特征点。
2)将DXF文件分块。在AutoCAD Map 3D中打开DXF数据文件，并按建筑物结构分割成两部分，每一部分分别保存成一幅DWG文件。
3)数据展绘。将特征点展绘到AutoCAD Map 3D中，保存成一幅DWG文件，再运用AutoCAD Map 3D的插入功能，将前面的两幅图插入并合并到一起，作为绘图参考。
4)参照特征点和扫描到的点云数据进行绘制建模。
5) 着色和渲染。使用数码相机于各个角度拍摄实物照片，并在AutoCAD Map 3D中建立材质，把材质指定给实体模型，再对实体进行渲染。
对于建筑物及附属建模德流程：建筑物及附属建筑物的建模采用点云数据直接建模和二维图直接建模来组成。
1)点云建筑物建模
首先对点云数据进行预处理：
⑴将建筑物各站的点云数据在Cyclone软件下进行拼接，合成一幅完整的主楼。
⑵利用Fence功能对无用数据进行裁减，删除。
⑶点云稀化。
⑷将点云数据导出为DXF格式。
然后再AutoCAD Map 3D中用点云数据建模：
⑴AutoCAD Map 3D中导入点云数据。
⑵绘制楼体的线框图。由于扫描的数据都是三维点数据，所以绘制时必须用三维多段线连接点云数据，绘制出主楼的轮廓线，最后将线框图转换为面域。
⑶基于点云构建三维实体。方法一：可以利用长方体(BOX)、圆柱体(CYLINDER)、圆锥体(CONE)、球体(SPHERE)、楔形体(WEDGE);方法二：利用拉伸(EXTRUDE)命令将二维图形拉伸成三维实体;方法三是利用旋转(REVOLVE)命令将二维图形旋转成三维实体[5]。
2)二维图直接建模
首先是建模的前期准备：
⑴使用数码相机对房屋大体轮廓、材质与贴图进行拍摄后，绘制建筑草图，供内业建模参考。拍摄过程中注意要尽量获得建筑全貌，以方便内业处理。
⑵建筑的基本平面长宽数据根据预处理之后的数字地图，使用相关软件中的相关工具、方法来测量。
⑶建筑的高度，由于要求的精度不是非常高，可以采用量算阶梯数量和高度的方法获得，也可以通过测算照片中的长宽比例计算。
接下来我们将说明使用AutoCAD Map 3D建模的具体过程。首先，导入制作好的*.dwg文件，调整方向使其在各视图窗口中展开。将顶视图最大化显示，并且调整到合适大小。选中你要画的建筑物，鼠标放在节点处会显示建筑物的各个节点之间的距离。根据这些数据在新建的文件里画出建筑物的轮廓。
计算好窗户、门和台阶等附属实体的长、宽、高，对其进行阵列、拉伸和交集等操作，经过实地考察，给每个建筑物设定一个高度。然后还要对这个简单的模型进行必要的修改操作，如布尔运算等，在墙上画出长方体并用布尔运算做出窗户和门的缺口，还要对建筑物的细节部分做必要调整。
将所有单体建筑物模型制作完成后后就需要将它们整合到一起，辅助校园的二维平面图将每个建筑物准确的整合到一起，之后就是地形的制作了，一般情况下都是严格按照CAD地形图来制作的，这样会比较准确。
首先根据CAD图用绘制矩形命令创建路面的轮廓，使用挤出命令为其设定一个厚度。当然，也可以使用绘制长方体命令直接创建。接着为其赋予材质，由于AutoCAD Map 3D中提供了很多填充材质，所以无需用贴图来模拟真实地面了，而且这样还可以节省空间，提高运行速度[6]。对于地面上的某些植物，我们直接使用软件自带的三维模型来模拟其效果，或者也可以从ARCGIS中导出某些所需模型来模拟真实的简单实体。其实在某些情况下使用二维贴图也能得到比较好的效果，而且会加快运行和渲染速度。但是树木等植物还是应该采用三维模型来表现。虽然软件内置的植物种类不是很多，但是考虑到场景中的植物有限，所以可以使用相似的植物来模拟，这样可以省去建模的时间以提高效率。而且我们可以通过修改“密度”来改变叶子的稀疏程度，使树木的造型发生变化，这样就避免了同种类的树木发生重复的现象。对于规则成排的数目路灯等可以采用阵列来完成，这样可以节省时间提高效率。
在制作校园景观时，我们发现草地的面积比较大，如果利用软件本身提供的功能制作草地，再过分增加草的数量会大量消耗系统资源，在一般配置的电脑也上是没有办法完成的。所以在最终我们并没有使用制作的草地模型，而是用了软件的填充材质功能来模拟草地的效果。地面也是用同样的方法。
对于地表DEM建立的流程：
1)在AutoCAD Map 3D里面反向选择高程点并复制出来，生成一幅只含有高程点的图，保存。
2)首先用ArcGIS里的ArcScene生成tin，单击工具栏的3D Analyst下拉工具(如果没有该工具可以在工具栏空白的地方右击弹出右健菜单，选择3D Analyst将该工具载入)。选择convert下的raster to tin打开convert rasterto tin对话框。设置参数，单击“ok”生成Tin,生成完成自动打开生成的tin数据。再把tin转换成raster格式的一个grid文件，即tin to raster。
3)打开AutoCAD Map 3D，点击添加数据弹出数据连接对话框，选择栅格格式，浏览到之前生成的raster数据[7]。
4)选择连接后再添加到地图就会打开之前的raster图像。
3.5 三维场景的渲染和材质
渲染可以使三维对象的表面显示出明暗色彩和光彩效果，从而形成逼真的图像。光源的设置会直接影响渲染的效果，可以调整明暗效果，进一步突出建筑物各部分之间的空间关系，加强渲染图的表现力。一般在进行渲染操作之前都要设置光源。AutoCAD Map 3D可以提供点光源、平行光、聚光灯等光源。如果在渲染时没有设置光源，AutoCAD Map 3D则使用默认光源。将材质添加到图形中的对象上，可以展现对象的真实效果，在虚拟三维空间中,材质是用于模拟表面的反射特性，与真实生活中对象反射光线的特性是相区别的。这种材质相当简单，但能生成有效的渲染效果。同时基本材质同样可以模拟发光对象,透明或半透明对象。在AutoCAD Map 3D中有若干种着色类型：Ceramic Tile、Fahric、Glass-Translucent、Masonry、Stone 等，每一种着色类型确定在渲染一种材质时着色的计算方式。对于不同的对象笔者采取不同的方案。
3.6 属性数据库建立
根据所绘制的模型设计属性结构表，如：建筑物、道路、管线、公共设施、高程点等[8]。再根据实际情况设计每个属性所包含的字段，如建筑物可以包括：要素编码、建筑名称、建筑结构、建筑层数、建筑用途等。然后向属性表中添加属性数据，如表1所示。
对于三维实体的添加属性信息利用Adedefdata和Adeattachdata命令来实现。最终查询的结果,如图12所示。
对于二维实体采取AutoCAD Map 3D空间数据库管理方法，设计属性表的过程与三维的相同，其它具体操作如下：
1)AutoCAD Map 3D下绘制DWG图形数据，定义和附着实体扩展属性表(定义表命令：Adedefdata，附着表命令：Adeattachdata)，添加属性数据(实体Properties)。
2)将DWG文件导出成SDF文件，注意设置中选择导出之前定义的所有属性数据。弹出对话框，如图13所示。
3)新建DWG文件，加载SDF数据：Data—Connect to data—Add SDF Connection。打开SDF属性表，可编辑属性数据内容，但不可以修改属性表结构,因此之前需要把属性设计表建立完整。
4)加载外部数据库：Data—Connect to data—Add ODBC Connection(如Orcal/Access)，如果数据库中包含X，Y坐标数据，可以以点的形式展绘到地图空间中，这里仅连接成功即可。
5)连接成功的基础上，在SDF属性表中Options—Create a join，根据关键字添加外部属性数据库(前提SDF属性表和外部属性表匹配关键字段如DWG句柄)。将结果可以导出为新的SDF文件，或者DWG文件(属性均可保留)。注意：SDF不支持DWG三维实体，但DWG三维实体如同二维一样可以定义扩展属性。
3.7 技术经济分析
通过AutoCAD Map 3D软件对点云数据的建模与管理很简便，尤其在管理方面将制图与管理一体化了，这样在实际应用中就为工作者减少了许多的数据转换的麻烦，既节省了时间还更加准确的对数据进行了管理。所建立的三维景观,将以全新的方式表达和处理地理空间信息，在城市规划、房地产开发、交通管理和旅游等领域将会起着重要的作用。总而言之，该系统有很高的经济价值。
4 结论
基于AutoCAD Map 3D的校园点云数据三维模型的建立及属性信息的管理实现了校园地图的三维可视化，实现了图层管理、场景展示、属性查询等功能，此功能的实现有助于学生、教职工及来访相关人员对校区布局及功能有了更为方便、快捷、直观的认识，并为校园的数字化建设做一个铺垫。
目前用AutoCAD Map 3D来实现三维场景的的建立及属性信息的管理的应用普及程度仍有所不够。AutoCAD Map 3D软件在三维场景建立方面有很多优势，尤其在数据方面，在CAD与GIS之间架起了一座桥梁，可以直接进入地理信息系统的数据库。AutoCAD Map 3D支持用户使用AutoCAD 工具维护各种地理空间信息，允许在单一环境中集成CAD与GIS功能，从而提高设计质量，提升工作效率和数据质量。但是，它还存在着一系列问题，如：模型导入数据量大影响它的稳定运行;AutoCAD Map 3D提供的3D样式库中的实体模型还不够丰富，以致我们在三维建模阶段花费了太多时间和精力，并大大影响了三维实现的效果和效率。总体上说，AutoCAD Map 3D在三维可视化和属性信息管理方面的发展潜力还很大，有待我们进一步研究。
本设计还存在很多不足之处，建筑物模型的效果做的不是很好。另一方面，对于校园建筑物属性信息SDF文件的生成需要进一步的研究和实践来解决。建立三维场景是为最终建立数字校园的第一步，所以未来的工作除了进一步完善三维校园环境外，要着重建立属性数据库，进而丰富校园的属性信息，提供更详细的信息。可以相信，随着计算机技术和三维建模技术的发展，数字校园系统的功能将会进一步得到完善和增强，真正意义上的数字化校园也将会走进我们的生活。
参考文献：
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