由于各種大規(guī)模室內(nèi)活動場所的建立，傳統(tǒng)二維地圖的導(dǎo)航定位已不可能完全滿足人們的需求，且室內(nèi)定位技術(shù)的研究與發(fā)展對室內(nèi)外一體化高精度三維地圖的制作提出了更高的要求。本文以河北野三坡服務(wù)區(qū)主樓為例，探討性提出了一種針對室內(nèi)外導(dǎo)航定位的三維場景快速構(gòu)建方法。首先布設(shè)室內(nèi)外一體化高精度坐標(biāo)控制網(wǎng)，其次利用三維激光掃描技術(shù)獲取實際地理坐標(biāo)的高精度點云數(shù)據(jù)，運用3DMax 軟件對主樓室內(nèi)外精細建模，并融合周邊DOM、DEM 等數(shù)據(jù)在Skyline 軟件中構(gòu)建可交互式操作的可視化三維場景進行發(fā)布。結(jié)果表明，該方法可快速準(zhǔn)確獲得室內(nèi)外全景環(huán)境及任意處的位置坐標(biāo)。

1 引言

隨著健身房、寫字樓、商場等集中化的大規(guī)?；顒訄鏊慕?，足不出戶的現(xiàn)象日益普遍，基于二維地圖的室內(nèi)外導(dǎo)航與定位服務(wù)已不能完全滿足社會各行業(yè)各領(lǐng)域的需求，人們不再滿足于單方面的位置信息，更關(guān)心所處位置具體環(huán)境做出更佳的選擇。例如消防隊員在陌生的商場救援時，不僅迫切地想確定著火的位置，更需要了解救援途中消防通道的建筑結(jié)構(gòu)、走哪條路線能更快到達現(xiàn)場等情況，這就對具備導(dǎo)航定位功能的可量測室內(nèi)外一體化高精度三維場景地圖的制作提出了更高的要求。

室內(nèi)定位技術(shù)的方法有多種，包括藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)、熱紅外、偽衛(wèi)星、地磁等，許多研究機構(gòu)、公司和大學(xué)利用這些技術(shù)開展了大量的研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，然而這些工作都是基于二維地圖展開的，并且存在抗干擾性差、依賴環(huán)境、前期投資成本高等問題，難以達到厘米級的定位精度。在三維場景構(gòu)建方面，林選妙和趙春林盡管利用360°全景技術(shù)分別實現(xiàn)了可視化、可交互性的漓江流域生態(tài)旅游資源展示系統(tǒng)與三維變電站，但這些電子地圖沒有將位置信息引入系統(tǒng)中，未能從真正意義上實現(xiàn)三維場景的導(dǎo)航定位功能。

本文以河北野三坡服務(wù)區(qū)主樓為例，探討性提出一種面向室內(nèi)外定位的三維場景構(gòu)建方法。首先對具有真實地理坐標(biāo)的室內(nèi)外一體化三維場景點云數(shù)據(jù)的采集與處理方法進行介紹，其次通過得到的厘米級的點云信息，利用3DMax 軟件進行點云的精細建模; 最后融合現(xiàn)有DOM、DEM 數(shù)據(jù)，制作室內(nèi)外一體化三維地形場景地圖，并通過Skyline 軟件對其進行還原展示，實現(xiàn)了從實景到模型的等比例同位置的仿真還原。

2 三維場景的數(shù)據(jù)采集與處理

2. 1 數(shù)據(jù)采集

河北野三坡服務(wù)區(qū)的數(shù)據(jù)采集主要包括三個方面: ①主樓室內(nèi)外的點云數(shù)據(jù)，②主樓室內(nèi)外控制點的坐標(biāo)，③主樓室內(nèi)外紋理特征。

( 1) 點云數(shù)據(jù)采集

采用Z+F 5010x 地面式三維激光掃描儀對野三坡服務(wù)區(qū)主樓一二層室內(nèi)外、樓梯、走廊進行了三維掃描，共經(jīng)歷一天半時間，架設(shè)40 站，鋪設(shè)粘貼標(biāo)靶紙70 多張，采用標(biāo)靶球6 個。在采集過程中，掃描儀的采集質(zhì)量設(shè)成Normal，分辨率設(shè)成High，測站位置距離外墻不超過20 m并且保證掃描儀的發(fā)射激光與標(biāo)靶紙的入射夾角小于45°。標(biāo)靶紙和標(biāo)靶球的布設(shè)需滿足不在同一直線同一高度上。

( 2) 坐標(biāo)控制網(wǎng)建立與測量

坐標(biāo)控制網(wǎng)的建立與測量是整個三維地圖的基準(zhǔn)，控制點主要用于后期點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將測站坐標(biāo)系下的三維點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到真實地理坐標(biāo)系( CGCS2000) 。本次控制點選擇兼顧GNSS 一般選點要求和后期室內(nèi)點云精度驗證的全站儀觀測通視要求，共選取5 個GNSS 控制點( 如圖1 所示) ，參照C 級GNSS 觀測要求進行邊連式同步觀測，并與河北CORS周邊基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，經(jīng)高斯投影后得到控制點在CGCS2000 坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和高程。點云數(shù)據(jù)采集時在控制點上粘貼標(biāo)靶紙并進行掃描，獲取控制點在掃描坐標(biāo)系下的相對坐標(biāo)，需要注意標(biāo)靶紙的十字中心和控制點的中心絕對吻合，如圖2 所示。

圖1 控制點分布圖

圖2 標(biāo)靶與控制點重合觀測示意圖

( 3) 紋理拍照

用數(shù)碼相機對建筑物的內(nèi)外墻、地板、屋頂、樓梯、水泥地等處局部細節(jié)和整體外觀進行拍照，并分別編號加以區(qū)分，保存在不同的文件夾下供后期精細建模使用，命名格式舉例為“1#樓-外墻-貼磚”。拍照時應(yīng)根據(jù)不同的天氣狀況對相機進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整保證照片與實物的色差基本為0。

2. 2 數(shù)據(jù)處理

利用隨機軟件Z+F LaserControl 對外業(yè)采集的點云數(shù)據(jù)進行拼接、去噪、著色和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

點云數(shù)據(jù)拼接是將不同視角下的掃描數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)形成整體點云，完整表現(xiàn)主樓的空間形狀，各站間采用公共特征點和標(biāo)靶紙/球作為拼接的已知條件，計算拼接精度，通過查看拼接報告( 如圖3 所示) 來檢查配準(zhǔn)是否合理。

三維激光掃描獲得的海量點云數(shù)據(jù)不可避免地存在許多冗余點和噪聲點。噪聲來源多種多樣，比如超出掃描設(shè)定范圍的孤立點; 不屬于建筑物本身的冗余點; 玻璃鏡面反射光束造成的混雜點; 掃描過程中物體隨掃描鏡頭移動造成的漂移點等。

利用隨機軟件的蒙版和過濾工具對上述噪聲進行剔除后生成的是黑白相間的點云( 如圖4 所示) ，不能真實地反映建筑物的色彩信息，不利于后期的屬性添加，應(yīng)對黑白點云進行一鍵式著色處理得到帶有RGB 和反射強度信息的彩色點云( 如圖5 所示) 。同時將2. 1. 2中控制點坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，通過拼接模塊將彩色點云從測站相對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到真實地理坐標(biāo)系，得到在CGCS2000 坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)( .las 格式) 。在隨機軟件中，還可根據(jù)實際需要將數(shù)據(jù)以不同格式( 如pts、asc、ply) 、不同比例進行抽樣輸出供其他平臺使用。

圖3 點云拼接報告

圖4 主樓未染色前點云側(cè)視圖

圖5 著色后的主樓點云俯視圖

3 基于點云的3DMax 精細建模

河北野三坡服務(wù)區(qū)主樓的三維實體模型重建在3ds Max 2015 軟件中進行，以點云為參考對建筑樓進行幾何體的分區(qū)單體構(gòu)建，創(chuàng)建平面多邊形并賦予紋理和貼圖，然后將建好的單體模型分區(qū)組合成塊，渲染優(yōu)化后輸出。

3. 1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將處理后的整體點云數(shù)據(jù)(.las 格式) 導(dǎo)入Autodesk Recap 2016 軟件，加載完畢后框選所需建模的區(qū)域并裁剪，以.rcs 格式導(dǎo)出。在3ds Max 2015 軟件中通過“創(chuàng)建幾何面板”-“點云對像”-“PointCloud”模塊將.rcs 格式的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

3. 2 參照點云建模

參照點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型就是將點云數(shù)據(jù)的輪廓結(jié)構(gòu)、位置、大小等信息作為三維底圖進行立體空間上的臨摹，達到模型與實物在大小、位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等屬性上的高度一致，在任一視圖任意分辨率下放大查看模型都能和點云完全重合( 如圖6 樓頂墻角所示) ，從而避免了后期的尺寸對比，位置偏移分析等工作，從真正意義上實現(xiàn)了實物到模型的完美復(fù)制。

圖6 樓頂模型與點云重合

以服務(wù)區(qū)的主樓為例，在透視圖中調(diào)節(jié)顯示框，隱藏其余部位點云，使主樓在左視圖中只顯示主樓的最底部，利用創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)基本體命令創(chuàng)建平面四邊形，頂視圖下調(diào)整四邊形頂點移動到主樓相對應(yīng)的位置，重新切換到左視圖或其他視圖，上下豎直移動四邊形與主樓底部完全重合，再利用修改器中的拉伸，擠出、優(yōu)化附加等命令再配合移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作完成主樓模型的幾何體構(gòu)建。

3. 3 紋理賦予和貼圖

紋理貼圖就是將實物的材質(zhì)信息和建筑物內(nèi)外立面上的商標(biāo)logo、文字標(biāo)志等墻面信息賦給模型，使其在視覺效果接近實物。由于實際建筑各墻表面上材質(zhì)信息不同，需在不同表面賦予對應(yīng)的紋理，因此有必要在建好的模型上進行平面的分割和創(chuàng)建多邊形等操作。

在PhotoShop 里對采集到的照片進行色澤飽和度、亮度、角度的調(diào)整處理，選取視覺效果真實自然的照片，再利用3ds Max 里uvw 貼圖工具進行細微地調(diào)節(jié)，使其更貼合實際，部分區(qū)域效果如圖7 所示。

圖7 紋理貼圖后的室內(nèi)模型

3. 4 場景優(yōu)化

賦予紋理貼圖后的模型盡管和實物已經(jīng)很接近，然而個別模型表面上會存在陰影，建好的室內(nèi)外模型還會存在亮度較暗，色澤度不夠飽滿，色彩不夠鮮艷等現(xiàn)象。因此需要對上述模型進行燈光處理、VRay 渲染等，同時在室內(nèi)外添加適當(dāng)數(shù)量的攝影機并調(diào)整它們的位置，以求不同角度下的室內(nèi)外模型都能符合大眾的視覺習(xí)慣，如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后的三維模型場景

4 基于Skyline 的三維場景展示與發(fā)布

SkylineGlobe 是世界上領(lǐng)先的三維地理信息處理平臺，支持多種格式數(shù)據(jù)( 如max、fbx、obj、shp、dwg、dxf、dem、dom 等) ，也可以同時加載這些數(shù)據(jù)并融合成可交互式操作的三維地形場景文件，在平臺中我們可以仿人類第一視角身臨其境地瀏覽融合后的場景，還可以做路徑分析與規(guī)劃，讓場景自動地從起始位置漫游到終點，中途可以暫停查看每一位置的詳細坐標(biāo)。

將已有野三坡服務(wù)區(qū)1 ∶ 10 000 比例尺下的dom和dem 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Skyline 中TerraBuilder 模塊，生成MPT 格式的三維地形場景文件，并將此文件與上述經(jīng)3DMax 精細化處理后的三維模型文件( .max 格式) 一并導(dǎo)入TerraExplorer Pro，經(jīng)位置和角度進行微調(diào)處理后得到綜合場景文件，打包生成fly 格式的工程文件并發(fā)布，如圖9 所示。

圖9 融合后野三坡三維場景

5 結(jié)語

本文以野三坡服務(wù)區(qū)主樓的室內(nèi)外場景構(gòu)建為例，詳細地介紹了三維激光掃描中需要采集和處理的內(nèi)容、3Dmax 建模過程和Skyline 平臺展示與發(fā)布的操作流程，得到了CGCS2000 坐標(biāo)系下厘米級的點云數(shù)據(jù)和三維模型，制作了野三坡服務(wù)區(qū)三維地形場景地圖，還原展示了融合后的三維場景，實現(xiàn)了從實景到模型的等比例同位置的仿真還原，滿足了從地下隧道到地上廣場、室外到室內(nèi)、一層到二層的高精度無縫導(dǎo)航定位的需求。

試驗結(jié)果表明，采用本方法構(gòu)建中小范圍的建筑場景，作業(yè)效率高，模型精細，建立的場景效果逼真，精度可達厘米級。在各作業(yè)環(huán)節(jié)中還可生成各種常用的數(shù)據(jù)格式，能夠與不同的三維地理信息平臺兼容，數(shù)據(jù)可利用率高，對相關(guān)生產(chǎn)單位的作業(yè)具有一定的借鑒意義。