孔海峡， 景小青

（1.中国水利水电第四工程局有限公司勘测设计研究院， 青海 西宁 810007；2.中国水利水电第四工程局有限公司， 青海 西宁 810007）

引言

目前，利用激光扫描数据进行三维重建关键技术已普遍在智慧城市、古建筑与古文物保护、数字娱乐（游戏、动画、电影）、地质研究等领域广泛应用，成为近些年科研与生产方面的前沿技术。该技术在复杂建筑物施工、建筑物形变监测及水电工程等领域中具有广阔的应用前景。结合已建设完成的西藏雅鲁藏布江某水电站为研究对象，开展深层次的激光扫描数据进行三维重建技术的应用、研究、总结和再开发。

中国水利水电第四工程局有限公司已承建过长江、黄河、金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等众多流域的多个水利水电工程测量管理工作，取得了较为突出的专业技术业绩，总结积累了较为丰富的专业技术工作经验。但行业优势不明显，行业内其他单位已接近“并跑”。为此，面对同行单位尚未跨入利用三维激光扫描进行三维重建技术领域的现状，率先在西藏雅鲁藏布江某水电站开展基于激光扫描数据的三维重建关键技术的应用与研究。

1 研究的主要内容及应用难点

1.1 研究的主要内容

1.1.1 三维模型重建

三维模型重建是利用激光扫描设备采集的原始点云数据，逆向建立能够真实反映建筑物外观与内在形状的三维模型，对于无法采集数据的隐蔽工程则根据设计图纸进行正向建模。

经过重建后的三维模型必须达到高精度、高清晰度、高吻合度的各项指标要求。

1.1.2 通过三维模型制作相关图册和动画

在研究对象水电站高精度三维模型基础上进行进一步的加工制作。首先在模型表面赋予彩色纹理，使三维模型更加真实美观。然后将彩色三维模型渲染成高清图片，作为制作图册的基础素材。最后将渲染的效果图放置在图框中，并配合文字说明，采用图文并茂的方式展示某水电站的主体结构、设备和鱼道等重要建筑物。

1.1.3 三维模型3D打印

3D打印技术是目前科技界非常热门的技术，已出现了3D打印房子、汽车、手枪等高难度的产品。本课题将3D打印技术应用于水电站工程并无先例可参考，需要对应用方式方法进行重新梳理、探讨和研究。

1.2 应用中的难点及解决方法

1.2.1 利用三维激光扫描设备在高海拔高寒地区进行数据采集作业难度大

研究对象水电站位于海拔3 500 m左右的高原地区，路途遥远，气温低，因此前尚无三维激光扫描设备在如此高海拔高寒地区进行作业的先例，加上设备自重较大，给外业数据采集工作带来了前所未有的困难。

经过与现场人员的多次沟通交流，最后采用及时保温、及时充电、专用车辆等多项措施保证顺利完成数据的采集，并保证数据的准确性。通过10余天的工作，完成了对现场数据的采集，为后期三维模型建立打下了坚实的基础[1]。

1.2.2 逆向与正向相结合的方式进行三维重建的难度大

现场数据采集时研究对象水电站已处于尾工阶段，激光扫描设备只能对地面以上的可见部分进行全方位、详细的扫描。如果采用这种直接的逆向方式进行三维模型重建，模型将无法全面反映该水工建筑物的真实原貌。经过反复研究，决定采用根据现场数据逆向建模与依据设计图纸正向建模相结合的方式进行三维模型重建。

结合建模难度很大，很容易出现设计数据与实际数据不匹配的问题。经过专业工程师与建模工程师的数次沟通、研究、探讨，最终将图纸模型合并到点云模型中。

逆向与正向相结合的处理方式，既能通过点云保证模型精度，又能通过图纸保证模型的完整性，使整体模型达到预期效果。

1.2.3 穿插模型贴图、叠加、特效渲染等过程技术复杂且工作量大

AO（Ambient Occlusion）贴图叠加技术制作步骤较多，且需要同时渲染三维底图和彩色纹理图，渲染工作量大。该课题中使用的图片是在两名设计工程师与两名渲染工程师的共同配合下，耗时两个多月完成的。

在研究对象水电站的特效渲染和三维动画制作过程中，大量使用了粒子特效和光影变幻，将水电站开闸放水的过程表现得栩栩如生。同时，制作的动画展示了开闸过程，制作的漫游动画以鱼的第一人称视角展示鱼道内部结构。本次动画渲染采用并行的方式，采用10台图形工作站同时工作，历时两个月，最终完成。

1.2.4 3D打印技术的应用难度大

研究对象水电站的三维立体模型制作完成后，选用3D打印技术对其进行3D打印。因本建筑物体型庞大、结构复杂，此次打印的最大尺寸为80 cm×100 cm，不但受到三维打印机的尺寸限制，而且因其结构复杂打印速度慢，耗时较长。

经过多次讨论研究，最终采用拆分打印的方法进行操作，由于拆分打印后拼接难度大，必须同时保证模型精度和打印精度，方能做到拼接后的缝隙几乎不可见。

2 投入的人员及设备

本课题共投入高级工程师2人、工程师6人、技术人员6人；投入徕卡HDS8800超长测程三维激光扫描测量系统及多台图形工作站电脑等设备。同时，课题组先后邀请徕卡上海公司技术支持中心和北京龙睿海拓科技发展有限责任公司的专家赴研究对象水电站，与本单位共同交流、探讨、总结、改进，为顺利完成该课题研究提供了有力的技术支撑。

3 项目实施过程综述

3.1 人员培训

自该科研项目合同签订后，本单位及时选拔相关专业技术人员对本课题进行调研，随后邀请北京龙睿海拓科技发展有限责任公司的技术专家赶赴现场，对仪器操作、相关配套软件的深层次应用进行了全面而系统的培训。项目实施过程中，先后三次邀请专注于激光扫描仪软件后台应用开发和三维重建的北京龙睿海拓科技发展有限责任公司技术人员深入现场进行培训交流。

3.2 研究对象水电站数据采集

本课题依托位于西藏自治区雅鲁藏布江干流上的研究对象水电站实施研究。课题组成员携带三维激光扫描设备奔赴研究对象水电站工地现场，耗时10余天，对水工建筑物进行全方位的点云数据采集，并与设计人员、技术人员举行交流会，全面、深入、细致地搜集研究对象水电站的信息，收集了大量与工程有关的文字数据、图纸、照片、影像等资料。数据采集期间，作业人员克服了高海拔、气候寒冷、运输等诸多困难。

3.3 点云数据处理

通过三维激光扫描系统对研究对象水电站相关建筑物进行全方位扫描后，得到相对完整、全面的点云数据。但原始的点云数据包含了所有的现场元素，要进行三维模型重建就必须对数据进行细致的处理，删除干扰因素。点云数据处理前后效果对比如图1所示。

图1 点云数据处理前后效果对比图

3.4 三维模型重建

通过处理后的点云数据和相关图纸、照片、影像资料重建三维模型，使重建后的三维模型具有真实尺寸，点云精度最高可达到8 mm。三维模型与点云具有同等精度，高精度三维模型可以将水电站各个建筑物的主体结构细节完整地表现出来。

三维模型的重建采用两种方法相结合的方式进行，一种是根据点云数据逆向建模（如图2所示）；另一种是因水工建筑物的隐蔽或覆盖部分无法直接获取点云数据，根据设计图纸中的位置、尺寸等资料，将该部分正向建模（如图3所示），分别完成建模后，进行统一合并。

图2 根据点云数据逆向建模

图3 根据图纸正向建模

4 模型贴图、渲染、动画制作

对三维立体模型的贴图和叠加采用AO（Ambient Occlusion）贴图叠加技术。该技术制作的水电站三维渲染图，不仅可以增加图像的真实感和立体感，而且具有很好的展示效果。

本课题的三维动画采用3ds Max软件进行制作，动画中包含了粒子和流动特效，能充分展现水电站运行的实际效果。动画中制作了水电站场景漫游、光照变化、开闸放水和鱼道虚拟游览等内容。

5 3D打印技术应用

本单位基于研究对象水电站建筑物的高精度三维模型数据，使用Objet260 3D打印机，将水电站建筑物的主体结构和山体进行了三维打印，打印材料为光敏树脂，该材料打印的模型表面光滑、坚固、精度较高。打印完成后，根据现场的实体环境对打印的模型进行相关的着色和喷绘。实体三维模型展现了水电站的主体结构和坝顶的各种设备，如图4所示。

6 应用研究结论

6.1 应用情况

本课题以雅鲁藏布江研究对象水电站工程为研究目标，开展深层次的激光扫描数据进行三维重建技术的研究和开发，实践成果证明了该技术的成功应用。该项成果不仅可以将水工建筑物全面数字化，也为该水电站后续的运营维护提供了专业而全面的参考依据，同时对水电站的展示宣传和综合培训起到了重要作用。

图4 3D打印模型效果图

6.2 应用前景

1）水电站建筑物开工建设前可以建立原始地貌三维模型。

2）随着工程建设的推进，梯次建设三维模型，为工程验收保留不可估量的云数据，更可扩展大数据库。

3）为水电站运营期的设备维护管理提供了一切的可能性。

4）可以对水电站建筑物进行完美的三维数字化展示和培训。

5）为其他类似工程建设及管理提供参考、借鉴依据。

7 结语

通过与传统人工技术比较，该技术的应用快速全面地建立了研究对象水电站的数据库及工程三维模型，确保了研究对象水电站的安全性和可持续性，有效保证了水电站的正常运行，创造了巨大的经济效益，为水电站的数字化、信息化工作提供了宝贵的技术支持。

利用激光扫描数据的三维重建关键技术在水电工程中的成功应用，将水电站及类似工程项目的建设推向了科技发展的最前沿，特别是3D打印技术的应用，使本单位在同行业中率先迈出了第一步。在其他同行还未涉足利用三维激光扫描数据进行三维重建领域时，本单位率先在研究对象水电站完成了该项课题的研究和应用，显得及时、必要。该技术在水电工程中的应用前景十分广阔，将会产生十分可观的经济效益，相信该技术必将在行业中得到广泛应用。