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三维场景建模技术及方法研究

三维模型已成为对象表达的一种新的数据媒介，三维建模技术能对现实世界
中的对象逼真建模和模拟再现。本文详细探讨了目前发展较为成熟的几种三维建
模方法，并对基于人机交互式建模、基于摄影测量原理和三维激光扫描点云的几
何建模方法进行实验、对比分析，总结了这三种建模方法的优缺点及适用场合。

标签三维建模；三维空间模型；人机交互；摄影测量；三维点云

1、引言

随着数字采集技术的不断发展以及“数字地球”、“数字城市”概念的不断深
化，人们已不再满足于传统二维手段描述的三维信息，目前三维模型已成为继图
像、声音和视频之后的第四种多媒体数据类型[1]，物体的表现形式也逐渐从二
维表示向三维自动化建模的方向过渡。

目前实现三维建模的方法大致有以下几种：一是直接利用三维建模软件，如
计算机辅助设计软件（AutoCAD）、三维动画渲染和制作软件（3DStudioMax）
等工具人机交互式三维建模；二是直接利用GIS的二维数据和高度信息建立三
维模型，但这种方法只局限于规则对象的建模；三是基于数字摄影测量原理对物
体快速建模。随着数据采集技术的不断发展和自动化，根据三维激光点云数据自
动构建三维模型正成为研究的热点。本文对现今常用的地物建模方法进行比较分
析，总结出了各种建模方法的特点。

2、三维建模方法

本文以校园中建筑物为建模对象，分别通过以下3种常用的建模方法进行三
维模型重建：基于AutoCAD的人机交互式建模、基于扫描点云的建模、基于近
景摄影测量的建模。

2.1基于AutoCAD的人机交互式建模

对于几何形体相对规则的建筑，常规使用免棱镜电子全站仪对建筑物构件的
三维特征点进行散点式数据采集。本文采集数据同时采用“四位编码法”对特征点
编码[2]，并按建筑构件分类分层存储。绘图时根据特征点编码结合测绘顺序在
CAD中编写LISP程序对建筑物实现自动展点和自动连线生成线框图。以同济大
学某学生宿舍为例，在CAD中连线后的线框图见图1（a），图中3个蓝点为门
上3个特征点，这些点不同时位于门所确定的竖直面内。可见三维绘图不是实测
点位的简单连线或修补，需以实测点位为基础，综合考虑建筑的施工、形变和测
量误差及建筑特性，采用拟合的方法对线框图进行局部处理，最后构建三维实体，
如图1（b）所示。

（a）门窗的4个图元不共面

（b）构建后的实体效果

图1绘制步骤及效果

此外，游天[3]等人利用对象三视图为底图在三维制作软件中直接建模，并
将三面图对模型进行纹理映射提高模型的真实度。本文也以学校校门为例对此方
法进行了验证，实验证明该方法构建的三维实体模型精度也能满足一般要求。

2.2基于扫描点云的建模

对于不规则物体，全站仪则显得无能为力了。三维激光扫描技术克服了传统
数据采集方式的不足，应运而生的模型自动化重建技术愈来愈受到重视。目前基
于扫描点云的建模一般流程可概括为点云的获取、表面重建、点云的处理与建模
三个阶段。以校园某建筑为例具体实验步骤如下：

（1）点云数据获取。本实验采用LeicaC10对某楼进行扫描测量，根据该
楼的轮廓特征和实际扫描范围等影响因子，本次测量共设16站。

（2）点云数据预处理

为了给建模阶段提供较理想的点云数据，需对原始点云数据进行点云拼接、
去噪、采样等预处理。点云数据预处理既可通过算法[4][5][6][7][8]实现[9]，
也可以通过扫描仪配套软件如Cyclone、FaroScene等完成。这一步操作十分重
要，是决定后续数据质量好坏和执行效率的关键。

（3）点云数据建模

目前，对建筑物点云数据模型重建的研究多数从两个方面展开：一方面提取
建筑物的边界特征，以特征为约束构建三维实体模型；另一方面是直接对点云数
据网格化，建立拓扑关系，进行表面重建和优化。本实验采用点云数据分割、曲
面拟合以及交互组合的方法来实现建筑物对象的三维建模。建模步骤大致可分类
以下三大步：

a）海量散乱点云数据分割

点云分割是为下阶段精细建模做准备。本文根据空间点的邻域关系估算点与
点间的拓扑关系，将建筑模型分割为平整墙面、屋顶和附件几大区域。

b）分割部分精细建模

自动识别提取点云数据特征，并以此特征为约束迭代拟合模型，在此基础上
构建三角网格。

c）模型拼接

根据模型间的特征及法矢拼接相邻模型，对拼接后的两模型公共区域部分的
三角网进行裁剪、检查以及模型修补和优化。

综合以上步骤，基于点云数据建成的三维模型效果如图2所示。

圖2文远楼三维模型

2.3基于近景摄影测量的建模

本实验摄影采用的是非量测型相机，以同济大学某建筑正门为例，根据近景
摄影测量原理构建三维模型的流程步骤如下：

（1）影像采集。以多摄站正直环绕摄影方式用普通