劉冠杰 周茂倫 李國玉

(1. 山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590; 2. 青島秀山移動測量有限公司, 山東 青島 266590)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進,部分老舊建筑物在形象、安全性等方面已無法滿足現(xiàn)代建設的需求,對其的治理規(guī)劃顯得愈發(fā)重要。立面測量可將建筑物各部位的位置關系、尺寸等反映在立面圖上,為整治改造工程的設計及結算提供依據(jù)。傳統(tǒng)手段通過全站儀、測距儀等輔助設備獲取立面信息,不僅內外業(yè)工作量大,且效率、精度相對較低[1-3]。近年來部分測繪新技術逐步應用于立面測量中[4],一定程度上改進了作業(yè)的自動化程度,但仍存在一些不足:傾斜攝影技術[5]的精度以及三維激光掃描技術[6]的速度、靈活性無法達到工程建設的要求。

如何取長補短,使數(shù)據(jù)獲取的方式更加高效便捷,成為立面測量工作亟須解決的問題。車載移動測量系統(tǒng)在城鄉(xiāng)規(guī)劃、道路測量等領域得到了廣泛的應用[7],系統(tǒng)兼具測角、測距、定位、攝影功能[8],可從地面快速精準的采集測區(qū)內空間屬性數(shù)據(jù)和實景影像信息[9],車輛作為多種傳感器的搭載平臺,保證了系統(tǒng)機動性和作業(yè)可持續(xù)性[10]。本文基于車載移動測量系統(tǒng)采集立面數(shù)據(jù),彌補了其他方式的缺陷,為立面測量提供新的技術手段。

1 立面測量流程

基于車載移動測量系統(tǒng)的立面測量主要分為前期準備階段、數(shù)據(jù)采集與處理階段以及成果制作與檢核階段。首先在收集資料和現(xiàn)場踏勘的基礎上制定出詳細的外業(yè)工作方案;隨后系統(tǒng)采集測區(qū)內建筑物信息,經(jīng)內業(yè)處理得到工程需要的點云數(shù)據(jù);最后以點云數(shù)據(jù)為參考繪制出立面圖,并對不符合要求的區(qū)域進行補測,完善成圖?？偧夹g流程如圖1所示。

圖1 立面測量技術流程圖

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 車載移動測量系統(tǒng)

車載移動測量系統(tǒng)是一套由多傳感器集成的數(shù)字化系統(tǒng)[11],主要包括數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及測量設備載體,系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 車載移動測量系統(tǒng)構成

慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全景相機、激光掃描儀等設備安裝固定在測量設備載體上,同步控制系統(tǒng)通過GPS時間控制各設備單元。在載體運動過程中,激光掃描儀和全景相機快速掃描道路及沿線地物,獲取其三維坐標、強度信息、紋理特征信息,并通過串口將采集的掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中;同時利用IMU、GNSS進行組合導航,獲取系統(tǒng)的姿態(tài)信息和位置信息;將組合導航數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)融合,生成帶有絕對坐標的三維彩色點云數(shù)據(jù)[12];再依靠專業(yè)軟件處理點云數(shù)據(jù)并繪制出立面圖[13],即可完成立面測量工作。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先在已知控制點架設GPS基準站,選擇空曠區(qū)域對系統(tǒng)進行組合導航對準工作,包括靜止狀態(tài)下地對準和機動狀態(tài)下地對準兩部分。對準成功后,沿規(guī)劃路線掃描采集數(shù)據(jù),采集過程中要盡量避免逆光,因循GPS信號較強的路線開展掃描工作;適當控制采集速度,保證影像及激光點云密度。采集結束時仍要在空曠區(qū)域進行組合導航對準,前后兩次對準的目的是確定車載移動測量系統(tǒng)初始和終止位置,提高數(shù)據(jù)解算質量[14]。隨后關閉儀器,完成外業(yè)采集并得到原始數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)處理

車載移動測量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后才能被其他應用使用。首先基于單基站緊組合卡爾曼濾波算法處理GPS基準站數(shù)據(jù)、組合導航數(shù)據(jù),解算出詳細軌跡;然后將軌跡信息與激光掃描儀、全景相機獲取的掃描數(shù)據(jù)融合,得到包含紋理信息的真彩點云數(shù)據(jù);最后再經(jīng)過坐標轉換得到工程需要的點云數(shù)據(jù)。

3.2 缺失點云處理

在車載移動測量系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)中,部分建筑物會產(chǎn)生空洞,如圖3所示。造成這種現(xiàn)象的原因有兩種,一種是采集數(shù)據(jù)時車速過快,點云密度無法達到要求,不能正確描述復雜建筑物表面特征產(chǎn)生的少量點云缺失;另一種是受到環(huán)境、地形等因素影響,掃描區(qū)域處于視野盲區(qū)造成的大量點云缺失。

圖3 空洞現(xiàn)象示意圖

少量點云缺失可根據(jù)實景影像和分布規(guī)則對空洞區(qū)域進行補充。由于部分建筑物過高或建筑外墻存在玻璃等特殊介質,且掃描儀測距范圍、激光穿透性有限,系統(tǒng)可能無法獲取其完整點云數(shù)據(jù)。參考實景影像信息,根據(jù)不同角度實景影像雙點位量測[15]獲取空洞區(qū)域三維信息并載入點云數(shù)據(jù)中[16],從而完成基于實景影像的缺失點云處理工作。

建筑物立面上門窗等要素在設計時一般具有規(guī)律性,常常出現(xiàn)重復、對稱現(xiàn)象。重復是建筑物部分結構在空間中的反復出現(xiàn),如圖4(a)所示;對稱則是建筑物沿中間軸的左右全等,如圖4(b)所示。若某建筑物的樓層或門窗存在上述現(xiàn)象,且部分結構出現(xiàn)缺失,可根據(jù)分布規(guī)則在原有點云的基礎上復制、鏡像,補充空洞區(qū)域信息,完成基于分布規(guī)則的缺失點云處理工作。

圖4 建筑物立面常見分布規(guī)則

大量點云缺失則要采用地基激光掃描儀對空洞區(qū)域進行補測。先后在待測建筑物的多個方位設置地面站,通過點云拼接方法將采集的點云數(shù)據(jù)轉換到車載移動測量系統(tǒng)所在坐標系下,完成基于地基激光掃描儀的缺失點云處理工作。點云拼接分為粗拼接和精拼接兩個過程,粗拼接為精拼接提供良好的初始值,精拼接則進一步優(yōu)化旋轉平移參數(shù),使拼接誤差降到最低。

3.3 立面圖繪制

立面圖繪制前,要將處理后的點云數(shù)據(jù)分割成若干個相互獨立的點云塊,以實現(xiàn)對單個點云塊的編輯和操作,達到提高計算機的運行效率、方便數(shù)據(jù)管理的目的。

由于每個點云間存在空隙,前后視圖和左右視圖中的點云可能會發(fā)生重疊,造成視覺混亂,因此立面圖繪制的首要任務是提取剖面點云數(shù)據(jù),排除其他視圖中點云的干擾;隨后在繪圖軟件中基于剖面點云數(shù)據(jù)進行矢量化描繪。為了保證繪制的精確性,可通過三維量測獲取立面上廣告牌、門窗等要素相對于基準墻面的關系,提供空間位置信息參考。

4 工程實例

在某立面整治改造工程中,采用青島秀山移動測量公司VSurs-E型移動測量系統(tǒng)進行建筑物外立面掃描測繪。激光掃描儀獲取目標三維幾何信息,測距范圍為0.3～119 m,精度達到0.001 m,視場角范圍為360°,測角分辨率達到0.008 8°;全景相機獲取目標紋理特征,單鏡頭分辨率為2 048 Pixel×2 448 Pixel,六鏡頭拼接后分辨率為4 000 Pixel×8 000 Pixel。

采集數(shù)據(jù)前,需要進行現(xiàn)場踏勘、擬定采集計劃等準備工作。收集相關資料,對待測建筑物立面進行拍照、編號,記錄測區(qū)內建筑物分布和道路的狀況、道路走向等信息;規(guī)劃行車路線,確保數(shù)據(jù)采集過程中避開車流量大、路況差、易造成GNSS失鎖的區(qū)域;設計基準站設置方案,由于車載移動測量系統(tǒng)采取GNSS差分定位,基準站的布設會影響采集成果,因此相鄰兩站的間距一般在5 km左右。

觀測人員通過車載傳感器監(jiān)控程序控制整個系統(tǒng),進行輸出電流強度、激光掃描儀轉速的設置,當姿態(tài)角殘差達到規(guī)定值后開始作業(yè),獲取掃描儀數(shù)據(jù)、組合導航數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)、全景相機數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)成果。局部空洞區(qū)域采用IMAGER 5010C0三維激光掃描儀輔助補測。數(shù)據(jù)采集完成后,利用VSursProcess軟件對獲取的數(shù)據(jù)進行組合導航解算、數(shù)據(jù)融合、坐標轉換處理。隨后在VSursMap軟件中提取剖面點云數(shù)據(jù)并導入AutoCAD中,在正射投影方向進行最終的編輯與出圖。為了保證成果圖與實際建筑物的一致性,需要開啟正交模式或使用輔助線繪圖,避免點云不規(guī)則邊緣的干擾。圖5為某建筑物的三維點云,圖6為在圖5的基礎上使用AutoCAD進一步繪制出的外立面總圖。

圖5 某建筑物三維點云

圖6 某建筑物外立面總圖

觀測前在測區(qū)內部分區(qū)域布置多個靶標,靶標信息可以被車載移動測量系統(tǒng)采集到點云數(shù)據(jù)中。再利用全站儀量測各靶標中心坐標并與點云數(shù)據(jù)提取出的靶標中心坐標對比,驗證該方法的測圖精度,如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計分析表 單位：m

經(jīng)計算,X方向中誤差為0.019 m,Y方向中誤差為0.014 m,Z方向中誤差為0.014 m,均在限差范圍內,證明基于車載移動測量系統(tǒng)的立面測量滿足精度要求。

5 結束語

本文在介紹車載移動測量系統(tǒng)構成、工作原理的基礎上,結合其靈活、自動化、高精度的技術優(yōu)勢,設計從數(shù)據(jù)采集到立面圖繪制的技術方案,通過工程實例驗證了該方法在立面測量中的可行性和精準性,為建筑物立面測繪提供一定的參考。但是在點云拼接及濾波、立面點云正射投影、缺失點云補測方式等方面還需要進一步研究。