劉冠杰 周茂倫 李國(guó)玉

(1. 山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2. 青島秀山移動(dòng)測(cè)量有限公司, 山東 青島 266590)

0 引言

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

如何取長(zhǎng)補(bǔ)短,使數(shù)據(jù)獲取的方式更加高效便捷,成為立面測(cè)量工作亟須解決的問(wèn)題。車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在城鄉(xiāng)規(guī)劃、道路測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7],系統(tǒng)兼具測(cè)角、測(cè)距、定位、攝影功能[8],可從地面快速精準(zhǔn)的采集測(cè)區(qū)內(nèi)空間屬性數(shù)據(jù)和實(shí)景影像信息[9],車輛作為多種傳感器的搭載平臺(tái),保證了系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性和作業(yè)可持續(xù)性[10]。本文基于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集立面數(shù)據(jù),彌補(bǔ)了其他方式的缺陷,為立面測(cè)量提供新的技術(shù)手段。

1 立面測(cè)量流程

基于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的立面測(cè)量主要分為前期準(zhǔn)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(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上制定出詳細(xì)的外業(yè)工作方案;隨后系統(tǒng)采集測(cè)區(qū)內(nèi)建筑物信息,經(jīng)內(nèi)業(yè)處理得到工程需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù);最后以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考繪制出立面圖,并對(duì)不符合要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè),完善成圖?？偧夹g(shù)流程如圖1所示。

圖1 立面測(cè)量技術(shù)流程圖

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

車載移動(dòng)測(cè)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(chǔ)系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及測(cè)量設(shè)備載體,系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全景相機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備安裝固定在測(cè)量設(shè)備載體上,同步控制系統(tǒng)通過(guò)GPS時(shí)間控制各設(shè)備單元。在載體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,激光掃描儀和全景相機(jī)快速掃描道路及沿線地物,獲取其三維坐標(biāo)、強(qiáng)度信息、紋理特征信息,并通過(guò)串口將采集的掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中;同時(shí)利用IMU、GNSS進(jìn)行組合導(dǎo)航,獲取系統(tǒng)的姿態(tài)信息和位置信息;將組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)融合,生成帶有絕對(duì)坐標(biāo)的三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)[12];再依靠專業(yè)軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)并繪制出立面圖[13],即可完成立面測(cè)量工作。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先在已知控制點(diǎn)架設(shè)GPS基準(zhǔn)站,選擇空曠區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行組合導(dǎo)航對(duì)準(zhǔn)工作,包括靜止?fàn)顟B(tài)下地對(duì)準(zhǔn)和機(jī)動(dòng)狀態(tài)下地對(duì)準(zhǔn)兩部分。對(duì)準(zhǔn)成功后,沿規(guī)劃路線掃描采集數(shù)據(jù),采集過(guò)程中要盡量避免逆光,因循GPS信號(hào)較強(qiáng)的路線開(kāi)展掃描工作;適當(dāng)控制采集速度,保證影像及激光點(diǎn)云密度。采集結(jié)束時(shí)仍要在空曠區(qū)域進(jìn)行組合導(dǎo)航對(duì)準(zhǔn),前后兩次對(duì)準(zhǔn)的目的是確定車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)初始和終止位置,提高數(shù)據(jù)解算質(zhì)量[14]。隨后關(guān)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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后才能被其他應(yīng)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(zhǔn)站數(shù)據(jù)、組合導(dǎo)航數(shù)據(jù),解算出詳細(xì)軌跡;然后將軌跡信息與激光掃描儀、全景相機(jī)獲取的掃描數(shù)據(jù)融合,得到包含紋理信息的真彩點(diǎn)云數(shù)據(jù);最后再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到工程需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 缺失點(diǎn)云處理

在車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中,部分建筑物會(huì)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(shí)車速過(guò)快,點(diǎn)云密度無(wú)法達(dá)到要求,不能正確描述復(fù)雜建筑物表面特征產(chǎn)生的少量點(diǎn)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(diǎn)云缺失。

圖3 空洞現(xiàn)象示意圖

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

建筑物立面上門窗等要素在設(shè)計(jì)時(shí)一般具有規(guī)律性,常常出現(xiàn)重復(fù)、對(duì)稱現(xiàn)象。重復(fù)是建筑物部分結(jié)構(gòu)在空間中的反復(fù)出現(xiàn),如圖4(a)所示;對(duì)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺失,可根據(jù)分布規(guī)則在原有點(diǎn)云的基礎(chǔ)上復(fù)制、鏡像,補(bǔ)充空洞區(qū)域信息,完成基于分布規(guī)則的缺失點(diǎn)云處理工作。

圖4 建筑物立面常見(jiàn)分布規(guī)則

大量點(diǎn)云缺失則要采用地基激光掃描儀對(duì)空洞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。先后在待測(cè)建筑物的多個(gè)方位設(shè)置地面站,通過(guò)點(diǎn)云拼接方法將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)所在坐標(biāo)系下,完成基于地基激光掃描儀的缺失點(diǎn)云處理工作。點(diǎn)云拼接分為粗拼接和精拼接兩個(gè)過(guò)程,粗拼接為精拼接提供良好的初始值,精拼接則進(jìn)一步優(yōu)化旋轉(zhuǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)相互獨(dú)立的點(diǎn)云塊,以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)點(diǎn)云塊的編輯和操作,達(dá)到提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率、方便數(shù)據(jù)管理的目的。

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

4 工程實(shí)例

在某立面整治改造工程中,采用青島秀山移動(dòng)測(cè)量公司VSurs-E型移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行建筑物外立面掃描測(cè)繪。激光掃描儀獲取目標(biāo)三維幾何信息,測(cè)距范圍為0.3～119 m,精度達(dá)到0.001 m,視場(chǎng)角范圍為360°,測(cè)角分辨率達(dá)到0.008 8°;全景相機(jī)獲取目標(biāo)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘、擬定采集計(jì)劃等準(zhǔn)備工作。收集相關(guān)資料,對(duì)待測(cè)建筑物立面進(jìn)行拍照、編號(hào),記錄測(cè)區(qū)內(nèi)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(guò)程中避開(kāi)車流量大、路況差、易造成GNSS失鎖的區(qū)域;設(shè)計(jì)基準(zhǔn)站設(shè)置方案,由于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采取GNSS差分定位,基準(zhǔn)站的布設(shè)會(huì)影響采集成果,因此相鄰兩站的間距一般在5 km左右。

觀測(cè)人員通過(guò)車載傳感器監(jiān)控程序控制整個(gè)系統(tǒng),進(jìn)行輸出電流強(qiáng)度、激光掃描儀轉(zhuǎn)速的設(shè)置,當(dāng)姿態(tài)角殘差達(dá)到規(guī)定值后開(kāi)始作業(yè),獲取掃描儀數(shù)據(jù)、組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)、同步數(shù)據(jù)、全景相機(jī)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(bǔ)測(cè)。數(shù)據(jù)采集完成后,利用VSursProcess軟件對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合導(dǎo)航解算、數(shù)據(jù)融合、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理。隨后在VSursMap軟件中提取剖面點(diǎn)云數(shù)據(jù)并導(dǎo)入AutoCAD中,在正射投影方向進(jìn)行最終的編輯與出圖。為了保證成果圖與實(shí)際建筑物的一致性,需要開(kāi)啟正交模式或使用輔助線繪圖,避免點(diǎn)云不規(guī)則邊緣的干擾。圖5為某建筑物的三維點(diǎn)云,圖6為在圖5的基礎(chǔ)上使用AutoCAD進(jìn)一步繪制出的外立面總圖。

圖5 某建筑物三維點(diǎn)云

圖6 某建筑物外立面總圖

觀測(cè)前在測(cè)區(qū)內(nèi)部分區(qū)域布置多個(gè)靶標(biāo),靶標(biāo)信息可以被車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。再利用全站儀量測(cè)各靶標(biāo)中心坐標(biāo)并與點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出的靶標(biāo)中心坐標(biāo)對(duì)比,驗(yàn)證該方法的測(cè)圖精度,如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計(jì)分析表 單位：m

經(jīng)計(jì)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(nèi),證明基于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的立面測(cè)量滿足精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合其靈活、自動(dòng)化、高精度的技術(shù)優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)采集到立面圖繪制的技術(shù)方案,通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了該方法在立面測(cè)量中的可行性和精準(zhǔn)性,為建筑物立面測(cè)繪提供一定的參考。但是在點(diǎn)云拼接及濾波、立面點(diǎn)云正射投影、缺失點(diǎn)云補(bǔ)測(cè)方式等方面還需要進(jìn)一步研究。