目前利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的技術(shù)已經(jīng)在智慧城市、古建筑與古文物保護(hù)、數(shù)字娛樂(游戲、動畫、電影)、地質(zhì)研究等方面廣泛應(yīng)用,是近些年科研與生產(chǎn)上的熱門。以后在復(fù)雜建筑物施工、建筑物形變監(jiān)測及水利水電工程等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
激光雷達(dá)測繪技術(shù)是一種全新的測繪技術(shù),可進(jìn)行大范圍數(shù)字地表模型的高精度實(shí)時獲取,可部分穿過樹林遮擋直接獲取真實(shí)的地表高精度三維信息,其具有多平臺、高精度、高效率、多功能、分體設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于高精度1:500地籍測量、地形地理測繪、高精度DEM模型等多個測繪領(lǐng)域。
一、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)的出現(xiàn),使得任何實(shí)體事物均可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化和數(shù)據(jù)化,此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用是時下較為新興科技的話題。隨著地面激光雷達(dá)技術(shù)的日臻成熟,已廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)中,它的出現(xiàn)也無疑給建筑物的三維模型重建提供了一種全新的方法。經(jīng)過其它行業(yè)的成功應(yīng)用,我們認(rèn)為在水利水電工程中應(yīng)用應(yīng)該是可行的,現(xiàn)在開始研究實(shí)施更能夠高效地促進(jìn)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展和科技進(jìn)步。
二、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用內(nèi)容
(1)三維模型重建
三維模型重建就是利用激光雷達(dá)設(shè)備采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),逆向建立能真實(shí)反映建筑物外觀與內(nèi)在形狀的三維模型,對于無法采集數(shù)據(jù)的隱蔽性工程根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行正向建模。經(jīng)過重建后的三維模型必須達(dá)到高精度、高清晰度、高吻合度。
(2)通過三維模型制作相關(guān)圖冊和動畫
在水電站高精度三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的加工制作,首先在模型表面賦予彩色紋理,使三維模型更加真實(shí)美觀。然后將彩色三維模型渲染成高清圖片,作為制作圖冊的基礎(chǔ)素材。最后將渲染的效果圖放置在圖框中,并配合文字說明,圖文并茂的方式展示水電站的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和魚道等重要建筑物。
三維動畫方面本項(xiàng)目經(jīng)過研究是采用3DMax軟件進(jìn)行制作,動畫中包含了粒子和流動特效,能充分展現(xiàn)水電站運(yùn)時的實(shí)際效果。動畫中制作了水電站場景漫游、光照變化、開閘放水和魚道虛擬游覽等內(nèi)容。
(3)三維模型3D打印
3D打印技術(shù)是目前科技界最熱門的話題,已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印房子、汽車、手槍等高難度的產(chǎn)品。我們基于水電站建筑物的高精度三維模型數(shù)據(jù),使用Objet2603D打印機(jī),將水電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)和山體進(jìn)行了三維打印,打印材料為光敏樹脂,該材料打印的模型表面光滑、堅(jiān)固、精度較高。打印完成后,根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)體環(huán)境對打印的模型進(jìn)行相關(guān)的著色和噴繪。實(shí)體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結(jié)構(gòu)和壩頂?shù)母鞣N設(shè)備,對水電站的展示宣傳和綜合培訓(xùn)起到重要作用。
三、激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用水電站實(shí)例
三維激光雷達(dá)設(shè)備可對水工建筑物進(jìn)行全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,收集了大量與工程有關(guān)的文字、圖紙、照片、影像等資料。數(shù)據(jù)采集期間,作業(yè)人員克服了高海拔、天氣寒冷、運(yùn)輸?shù)戎T多困難。
通過三維激光雷達(dá)系統(tǒng)對水電站相關(guān)建筑物進(jìn)行全方位掃描后,得到相對完整全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但是原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了所有的現(xiàn)場元素,要進(jìn)行三維模型重建就必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理,刪除干擾因素。
處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖
3、三維模型重建
通過處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相關(guān)圖紙、照片、影像資料,重建三維模型,使重建后的三維模型具有真實(shí)尺寸,點(diǎn)云精度最高可達(dá)到8毫米,三維模型與點(diǎn)云具有同等精度,高精度三維模型可以將水電站各個建筑物的主體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)完整的表現(xiàn)出來。
三維模型的重建采用兩種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行,一種是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建立;另一種是因水工建筑物的隱蔽或覆蓋部分無法直接獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的位置、尺寸等資料,將此部分正向建立模型,分別建立完成后,進(jìn)行統(tǒng)一合并。
4、模型貼圖、渲染、動畫制作
對三維立體模型的貼圖和疊加采用的是AO(AmbientOcclusion)貼圖疊加技術(shù)技術(shù),采用此方法制作電站三維渲染圖,不僅可以增加圖像的真實(shí)感和立體感,而且具有很好的展示效果。但該技術(shù)制作步驟較多,而且需要同時渲染三維底圖和彩色紋理圖,渲染工作量大。
三維動畫方面,本項(xiàng)目經(jīng)過研究是采用3DMax軟件進(jìn)行制作,動畫中包含了粒子和流動特效,能充分展現(xiàn)水電站運(yùn)時的實(shí)際效果。動畫中制作了水電站場景漫游、光照變化、開閘放水和魚道虛擬游覽等內(nèi)容。
模型效果圖
5、3D打印技術(shù)應(yīng)用
我們基于水電站建筑物的高精度三維模型數(shù)據(jù),使用Objet2603D打印機(jī),將水電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)和山體進(jìn)行了三維打印,打印材料為光敏樹脂,該材料打印的模型表面光滑、堅(jiān)固、精度較高。打印完成后,根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)體環(huán)境對打印的模型進(jìn)行相關(guān)的著色和噴繪。實(shí)體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結(jié)構(gòu)和壩頂?shù)母鞣N設(shè)備。
四、三維激光雷達(dá)設(shè)備應(yīng)用重點(diǎn)
(1) 利用三維激光雷達(dá)設(shè)備在高海拔高寒地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)
本次水電站實(shí)例項(xiàng)目位于海拔在3500左右,路途遙遠(yuǎn),氣溫較低,因之前還未有三維激光雷達(dá)設(shè)備在如此高海拔的地方進(jìn)行過作業(yè),加上設(shè)備自重加大,給外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作帶來了很多困難。經(jīng)過與現(xiàn)場人員的多次溝通交流,最后選取及時保溫、及時充電、專用車輛等多項(xiàng)措施保證數(shù)據(jù)采集的順利性。通過10天的努力,完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作,為后期三維模型建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
(2)逆向與正向結(jié)合的方式進(jìn)行三維重建
現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時水電站已基本完工,激光雷達(dá)設(shè)備只能對地上可見部分進(jìn)行全方位、詳細(xì)的掃描。如果采用這種直接的逆向方式進(jìn)行三維模型重建,此模型將不能全面反映此水工建筑物的真實(shí)原貌。經(jīng)過反復(fù)研究,采取了根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)逆向建模和根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙正向建模相結(jié)合的方式,進(jìn)行三維模型重建。結(jié)合建模難度非常大,很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)不匹配問題,經(jīng)過專業(yè)工程師與建模工程師數(shù)次溝通、研究、探討,最終將圖紙模型合并到點(diǎn)云模型中。
逆向與正向結(jié)合的方式既能通過點(diǎn)云保證模型精度,又能通過圖紙保證模型的完整性,使整體模型達(dá)到理想效果。
(3)模型貼圖、疊加、特效渲染等復(fù)雜技術(shù)且工作量巨大對三維立體模型的貼圖和疊加采用的是AO(Ambient Occlusion)貼圖疊加技術(shù),采用此方法制作電站三維渲染圖,不僅可以增加圖像的真實(shí)感和立體感,而且具有很好的展示效果。但該技術(shù)制作步驟較多,而且需要同時渲染三維底圖和彩色紋理圖,渲染工作量大。本項(xiàng)目中使用的圖片是在兩名設(shè)計(jì)工程師和兩名渲染工程師共同配合下,耗時兩個多月完成的。
在水電站特效渲染和三維動畫制作過程中,大量使用了粒子特效和光影變幻,將水電站開閘放水的過程表現(xiàn)得栩栩如生,同時制作過程動畫展示開閘過程,制作的漫游動畫以魚的第一人稱視角展示魚道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本次動畫渲染采用并行的方式,使用10臺圖形工作站同時工作,歷時兩個月,最終完成。
(4)3D打印技術(shù)的應(yīng)用
水電站的三維立體模型制作完成后,本項(xiàng)目選用3D打印技術(shù)對其進(jìn)行3D打印。因本建筑物體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,此次打印的最大尺寸為80cm×100cm,不但受到三維打印機(jī)尺寸限制,而且因結(jié)構(gòu)復(fù)雜打印速度也比較漫長。經(jīng)過多次討論研究,最終采用拆分打印的方法進(jìn)行操作,由于拆分打印后拼接難度大,必須在模型精度和打印精度能同時保證的情況下,才能做到拼接后的縫隙幾乎不可見。
5.激光雷達(dá)數(shù)據(jù)三維重建應(yīng)用前景
① 水電站建筑物開工建設(shè)前可以建立原始地貌三維模型;
② 隨著工程建設(shè)的進(jìn)展,梯次建設(shè)三維模型,為工程驗(yàn)收保留不可估量的云數(shù)據(jù),更可擴(kuò)展大數(shù)據(jù)庫;
③ 為水電站竣工后運(yùn)營期的設(shè)備維護(hù)管理,提供了一切的可能性;
④ 可以對水電站建筑物進(jìn)行完美的三維數(shù)字化展示和培
訓(xùn);
⑤ 為其它類似工程建設(shè)及管理提供參考,前景十分廣闊。
6.結(jié)論
利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)在水利水電工程中的成功應(yīng)用,將水電站及類似工程項(xiàng)目的建設(shè)推向了科技發(fā)展的最前沿,特別是3D打印技術(shù)的應(yīng)用,使我們在同行業(yè)中率先邁出了第一步。在其它同行還未涉足,利用三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)三維重建領(lǐng)域同時,我們率先在水電站進(jìn)行此方面的研究和實(shí)驗(yàn)是必要的,緊迫的。我們相信在不久的將來,此項(xiàng)技術(shù)必將在行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。
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