基于SketchUp的激光点云几何重建
张豹 周雨杭 金雄 贾毅
摘?要：三维建模技术随着科学技术的发展日益多样化，出现了许多的建模方法。在目前的三维建模技术中基于激光扫描的建模方法发展尤为迅速，这类建模方法主要是对激光扫描得到的点云进行处理后再利用不同专业的软件进行三维重建。针对应用对象和点云数据不同的特性，建模也具有不同过程和多样的方法，本文主要介绍的是基于SketchUp的激光点云几何重建。通过使用激光扫描仪获取建模目标的点云数据，在获取数据后使用Cloudcompare软件通过布料模拟滤波法对其进行地面点过滤，经过布料模拟滤波法后仍有冗余的点云数据，不利于对建筑的三维建模，因此继续使用Riscan pro实现手工过滤，将建筑物的点云单独分离出来，再通过Riscan pro对建筑点云进行关键面截取，最后使用SketchUp构建实体三维几何模型。
关键词：三维建模;激光扫描;点云处理;Sketchup
文章编号：2095-4085（2020）06-0096-02
1?引言
SketchUp是一款实用的设计软件，软件为使用者提供了多种快捷的设计功能，提高了设计的效率。同时该软件也具备了设计者所需要的兼容性与扩展性，使得最后对模型的输出结果丰富，可以以多种形式保存。在进行设计创作过程中，SketchUp也具有很强的互动性，在需要与客户交流的时候也能更好操作展示。
本文主要研究通过SketchUp的不同操作功能对激光点云进行重建，用于几何重建的点云是通过三维激光扫描的方法所得到的表示实体的点集合。整个基于SketchUp的点云数据建模过程包括两个主要过程。对点云数据的预处理以及模型的重建。第一步对点云数据的预处理是为了给下一步的模型重建提供更加可靠精确的点云数据，使得模型重建的难度降低，另一方面也将重建出的模型的精确度以及重建速度提高。本文所研究对数据的预处理主要是地面点过滤和关键平面提取;第二部模型重建阶段包括SketchUp对关键面的几何描述，对关键面的推拉形成立体图形以及为重建建筑的纹理表示，最后结果会得到一个理想的三维模型。
2?面向建模目的的点云预处理
三维激光点云数据用于建筑物的精细建模，使模型的精确度得到有效提高。但是点云数据通常情况下都数据量庞大，因此得到的点云数据经常包含很多冗余信息，如果把全部点云数据直接用于三维曲面的重构，计算机资源会被大量占用，操作效率降低，并且后续对模型重建以及模型的显示、存储和传输等产生影响。因此，实现三维模型构建应进行有效的地面点过滤、关键平面提取等预处理操作。滤波处理是作为对点云处理的第一个步骤，为后续的建模操作提供更好的准备。因为只有将噪声点、离群点、空洞、数据压缩等在滤波处理流程中按照后续处理定制，点云数据进行配准、特征提取、曲面重建、可视化等操作才能顺利进行。
2.1?地面点过滤（图1，2）
根据对点云滤波的研究发现，它存在两个主要的问题。一，许多软件具商品性，它们的参量多且普适性差，其使用范围及用户会受到限制。二，点云滤波的主要原理长期以来都没有得到突破。针对这两个问题，本文在点云数据预处理这一步用于地面点过滤的方法是布料模拟滤波法（Cloth simulation filtering，CFS）。
与传统的点云滤波算法不同的布料模拟滤波方法是基于布料模拟，它属于3D计算机图形算法，布料模拟滤波方法是通过将点云倒置后，再使用较硬的布覆盖于倒置的表面。这种模拟方法可以假设为一块足够柔软的布料放置在地形之上，因为重力的作用布料完全粘附于地形的表面，因此所得布的最终形状是DSM（数字表面模型），如果将地形倒置并且布料以硬性定义，则布的最终形状是DTM（数字地面模型）。通过分析布节点和相应的点之间的相互关系，去确定布节点的位置以产生地面的近似值，最终通过比较原始的点和生成的表面，可以从点云中提取地面点，并将其用作将原始点分类为地面和非地面部分的基础。
通过Cloudcompare对点云数据使用布料模拟滤波法进行地面点的过滤后，建筑物或者构筑物仍然没有从所有点云中完全单独分离出来，可能还包含植被点。此时就需要使Riscan pro软件进行手动过滤，在使用者观察判断后将建筑物以外的其它点手动选中并删除。再手动过滤地面点时，多旋转从多个角度观察判别地面点。通过手工处理后可以得到仅含建筑物的点云数据。
2.2?关键平面提取
本文所研究的基于SketchUp的三维模型几何重建是建立在关键平面提取上的，本文是使用Riscan pro进行关键平面的提取。建模目标建筑的关键平面指的是能够代表建筑轮廓的平面，例如：楼顶，底层，天台等等，在提取关键面后再结合SketchUp的推拉等多种功能就可以建立好该建筑物的三维模型。
选择提取关键平面是因为它的形状代表着建筑明显的特征。形状、颜色和纹理是三维模型的三个主要属性，但是颜色和纹理都是属于易变和可变的，关键平面的形状既能代表建筑的特征又是不可变的，因此基于SketchUp的激光点云重建主要是对点云的关键平面的形状进行提取。
2.3?面的打散和构建
基于sketchUp的三维模型构建，需要将关键平面导入sketchUp中，根據关键平面运用软件中的构建几何图形的功能，把关键平面用几何图形表示出来，也就是建筑物的横截面。在构建几何图形中，灵活组合矩形、圆弧还有直线功能，在构建出关键平面后将多余的面和线删除。
2.4?立体模型的构建
几何建模系统能够对几何模型进行定义描述、编辑处理模型和生成几何模型。通过在计算机里将物体的形状及其各种属性存储在计算机进而形成该物体的几何模型。在构建好关键平面后，使用SkechUp中的推拉功能，即可形成建筑的三维立体基本模型。在完成立体模型的构建之后，软件中还有对建筑纹理，窗户等等进行修饰的功能。
SketchUp软件能快速的导入导出多种格式的数据文件。SketchUp软件一个最大的亮点，是通过它具有的动画功能，建立一个表征地貌形成过程的模型。SketchUp软件由于许多建模插件的出现功能越来越完善，建模过程简洁易操作以及建模效率大幅度提升，在建模过程中使用其他软件会带来繁重的工作量问题，就可以用简化灵活SketchUp软件所代替。
3?结?语
现如今的三维建模的方法多种多样，也有很多建模软件陆续出现在各行各业，建筑业中目前也大力推广三维模型的应用，SekthUp凭借它简易的操作和功能的齐全，以及对多种数据处理软件的适应，在三维建模这一块有着很大的前景。本文基本完成了研究中的理论证明和实验结果的预估，但是在实验过程中仍然出现了一些小问题，在这里需要提出并且进一步的完善。
（1）探索自动识别和过滤非建筑物点的方法。
（2）此次试验缺少对环境效果的渲染，后续可添加天气、灯光等效果，使模型更加逼真。
参考文献：
[1]赵四能，张静海，杨映泉，王利党.基于布料模拟的点云滤波算法应用分析研究[A].年会筹备组编.云南省测绘地理信息学会2017年学术年会论文集[C].昆明：年会筹备组印制，2017.
[2]刘修国，王红平，于明旭，等.基于激光扫描技术的三维模型重建[J].中国激光，2011，（48）：1-6.
[3]罗寒.地面激光扫描三维模型重建技术研究[D].南昌;东华理工大学，2016.
[4]王修贵.SketchUp 在建筑设计中的应用[J].山西建筑，2008，（02）：36-4.
