劉 江 曾妮紅 陳 琦

(廣州市城市更新規(guī)劃研究院, 廣東 廣州 510030)

0 引言

城市更新是大城市發(fā)展到一定階段衍生的新型城市發(fā)展模式,通過再開發(fā)、整治改善和保護(hù)的方式來不斷經(jīng)營一個(gè)好的都市環(huán)境。作為國家中心城市的廣州在省國土資源廳(現(xiàn)省自然資源廳)的指導(dǎo)下,堅(jiān)持先行先試、改革創(chuàng)新,經(jīng)歷了從“三舊改造”到“城市更新”的探索,為加快盤活存量建設(shè)用地、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型提供了示范。在老舊小區(qū)微改造方面,廣州從2016年開始微改造實(shí)踐工作,至今已完成多個(gè)老舊社區(qū)的微改造,積累了豐富的改造經(jīng)驗(yàn)。

習(xí)近平總書記指出,“城市管理應(yīng)該像繡花一樣精細(xì)”。為了讓“繡花”功夫深化城市更新老舊小區(qū)微改造,傳統(tǒng)的粗放式城市更新立面改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取手段已無法滿足需求?，F(xiàn)在的城市更新立面改造工程要求每個(gè)立面能獲取所有細(xì)節(jié),包括空調(diào)位置、排水口位置、“三線”位置等,并要求出圖成果與實(shí)際尺寸誤差要控制在5 cm內(nèi)。

為保證立面的精細(xì)化和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,傳統(tǒng)的測繪方法無法滿足里面細(xì)節(jié)及位置精度要求,文獻(xiàn)[1-9]將三維激光掃描儀應(yīng)用在城市更新立面改造中,均取得了良好的實(shí)用效果。本項(xiàng)目采用法如激光掃描儀進(jìn)行城市更新立面改造外業(yè)數(shù)據(jù)采集,配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,為達(dá)到5 cm的精度要求,需要對數(shù)據(jù)的獲取和處理進(jìn)行優(yōu)化。

本項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理配套軟件采用意大利JRC 3D Reconstructor軟件,JRC(Joint Research Centre)為歐盟委員會(huì)在意大利成立的聯(lián)合研制中心,該中心開發(fā)了JRC 3D Reconstructor軟件,主要用于三維激光掃描數(shù)據(jù)處理,該軟件使用迭代最近點(diǎn)算法(Iterative Closest Point,ICP)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)處理,在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)遇到各種問題,這主要是由于ICP算法本身可能造成的缺陷所致。本文在實(shí)際生產(chǎn)過程中,經(jīng)過多次驗(yàn)證,針對ICP算法存在的缺陷,提出一些解決辦法,能夠規(guī)避一些典型的配準(zhǔn)問題,解決實(shí)際技術(shù)流程中的痛點(diǎn),為生產(chǎn)實(shí)踐及相關(guān)學(xué)術(shù)研究提供一定的經(jīng)驗(yàn)和思考。

1 三維激光掃描應(yīng)用于城市更新立面改造關(guān)鍵問題剖析

1.1 方法描述

三維激光掃描儀應(yīng)用于城市更新立面改造的主要流程如圖1所示。

圖1 城市更新立面改造主要流程圖

1.2 JRC點(diǎn)云配準(zhǔn)存在的問題及解決辦法1.2.1 存在的問題

該流程中,外業(yè)測量由于操作簡單、自動(dòng)化程度高,人為造成誤差的概率低,除了因環(huán)境(如樹木、其他墻面等)遮擋無法獲取完整點(diǎn)云外,在保證科學(xué)重疊度的前提下,外業(yè)測量一般都能快速順利進(jìn)行,關(guān)鍵技術(shù)主要集中在內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)中點(diǎn)云與點(diǎn)云的配準(zhǔn),點(diǎn)云配準(zhǔn)處理不好會(huì)出現(xiàn)重影、傾斜、倒置等現(xiàn)象,也就無法生成正確的正射影像,無法進(jìn)行立面繪圖工作。所以,在整個(gè)技術(shù)流程中,點(diǎn)云的配準(zhǔn)至關(guān)重要。

JRC點(diǎn)云配準(zhǔn)算法采用的是常用的ICP算法。由于該算法存在一定的局限性,故而在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理成果的精度及處理效率都有所降低,業(yè)內(nèi)學(xué)者針對該局限,文獻(xiàn)[10-19]從學(xué)術(shù)的角度提出了一些改進(jìn)措施,本文主要從實(shí)際應(yīng)用的角度提出一些改進(jìn)措施,相對于學(xué)術(shù)算法上的改進(jìn),實(shí)際數(shù)據(jù)操作上的改進(jìn)更快捷、更具有靈活性,以此作為工程應(yīng)用的參考。

首先,ICP算法要求兩個(gè)點(diǎn)集必須是包含關(guān)系,然而在實(shí)際掃描過程中,每一站掃描數(shù)據(jù)都有掃描范圍,兩站之間有一定的距離,兩站之間的點(diǎn)云數(shù)有部分重疊,但絕非是完全重疊,即無法滿足算法要求的包含關(guān)系。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,這就要求相鄰的掃描站之間保證一定的重疊度,但是重疊度并非越大越好,過度的重疊度不僅會(huì)造成計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān),還有可能帶來重影以及累計(jì)誤差。

其次,ICP 算法迭代,首先需要給定初始值,初始值的選擇很大程度上影響最后的配準(zhǔn)精度,如果初始值與真實(shí)情況相差較大,最后的配準(zhǔn)結(jié)果很可能陷入局部最優(yōu)。在實(shí)際生產(chǎn)中,這種情況出現(xiàn)主要表現(xiàn)在ICP配準(zhǔn)報(bào)告精度顯示較好,但實(shí)際點(diǎn)云出現(xiàn)重影、傾斜現(xiàn)象。這就是局部最優(yōu)造成的,整個(gè)點(diǎn)云的配準(zhǔn)并未符合要求,只有局部陷入最優(yōu)解,這種點(diǎn)云無法進(jìn)行正射影像的制作。

最后,算法中使用一個(gè)點(diǎn)集的所有點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對搜索,不分點(diǎn)位的全域搜索,導(dǎo)致耗時(shí)較長,甚至還會(huì)引進(jìn)錯(cuò)誤的點(diǎn)對。在實(shí)際生產(chǎn)中,主要表現(xiàn)在一棟房屋進(jìn)行配準(zhǔn)的時(shí)候,往往由于全域搜索將相鄰房屋點(diǎn)進(jìn)行錯(cuò)誤配準(zhǔn),同時(shí),相鄰站之間需要遍歷的無用點(diǎn)過多,造成計(jì)算時(shí)間長,拉低配準(zhǔn)精度等問題。

1.2.2解決辦法

為解決以上出現(xiàn)的自動(dòng)配準(zhǔn)錯(cuò)誤、配準(zhǔn)效率低下、累計(jì)誤差等問題,本文基于實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證,提出分面處理、刪點(diǎn)處理和坐標(biāo)控制的方法來解決以上問題。

1.2.2.1 分面處理

在城市更新立面改造中,繪制立面圖進(jìn)行面積計(jì)算,只需要獲取整個(gè)立面及其附屬設(shè)施的相對位置關(guān)系,即相對尺寸即可,作為后期微改造及經(jīng)濟(jì)測算的基礎(chǔ)依據(jù),并不需要絕對的坐標(biāo)信息。

基于此前提,對于7層以上的高層建筑,樓層高,立面附屬設(shè)施多,一般而言,激光掃描儀掃描不到建筑物上部,通過協(xié)調(diào)入戶上樓掃描、到對面樓頂掃描相對面的建筑物上部獲得完整的建筑物點(diǎn)云。但在數(shù)據(jù)處理時(shí)比較耗時(shí),主要原因在于點(diǎn)云配準(zhǔn)效果差,以整個(gè)建筑體為單位進(jìn)行拼接時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)層現(xiàn)象。

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證,采用了分面處理的策略,可以很大程度上規(guī)避這樣的問題。分面處理即事先把點(diǎn)云按照建筑物一個(gè)面一個(gè)面的分組,然后同一個(gè)面做自動(dòng)配準(zhǔn),以面為單位做配準(zhǔn),而不是以整個(gè)建筑體為單位,這樣配準(zhǔn)的效果更快更好,后期內(nèi)業(yè)處理效率也大大提高。最后所得的成果精度也能保持在厘米級(jí)精度。并且通過對比分面處理的配準(zhǔn)結(jié)果和整棟的配準(zhǔn)結(jié)果,能夠分析出建筑哪個(gè)立面配準(zhǔn)誤差較高,從而找到整棟建筑掃描效果稍差的面,反向指導(dǎo)后續(xù)外業(yè)掃描。

1.2.2.2 刪點(diǎn)處理

對于沿街低矮房屋或者沿街廣告牌的微改造,沿街的一個(gè)特點(diǎn)是岔路口比較多,掃描的時(shí)候,兩站之間距離稍遠(yuǎn)容易丟失同名點(diǎn),兩站之間距離過小,重疊度能得到保證,但配準(zhǔn)效率會(huì)低,拼接的任務(wù)量大。為了提高拼接的效果和效率,我們在點(diǎn)云拼接之前,先將點(diǎn)云做了刪點(diǎn)處理,只保留所需要的建筑物點(diǎn)云或者需要配準(zhǔn)的面片點(diǎn)云,其他點(diǎn)云全部刪除,這樣軟件計(jì)算的時(shí)候,遍歷的點(diǎn)少了,計(jì)算更加快捷,經(jīng)過刪點(diǎn)處理后自動(dòng)拼接,處理時(shí)間節(jié)約了至少30%。刪點(diǎn)的方法,各種情況都適用。

1.2.2.3 坐標(biāo)控制

在城市更新中,針對留存的古建筑或嶺南特色民居(如祠堂等),除進(jìn)行建筑立面測繪外,還需要留存三維點(diǎn)云模型,作為歷史文化建筑數(shù)字化記錄,為日后查詢、修繕、展示等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對于要留存三維點(diǎn)云模型的建筑,需要獲取建筑的絕對位置信息,也就需要整棟進(jìn)行配準(zhǔn),不能采用分面處理的策略。

基于此前提,在利用JRC點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí),即首先將前兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)整體,然后將第三個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與前面配準(zhǔn)好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)新的整體,以此類推,得到整個(gè)建筑體在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這種方法的缺點(diǎn)在于配準(zhǔn)過程中存在誤差,而且由于誤差的累積性和傳遞性,配準(zhǔn)結(jié)束后配準(zhǔn)誤差會(huì)放大,最終可能導(dǎo)致建筑物本體發(fā)生輕微變形或者說發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)位。

為解決累計(jì)誤差的問題,在外業(yè)激光掃描,使用全站儀進(jìn)行標(biāo)靶點(diǎn)的測量,標(biāo)靶點(diǎn)一般均勻分布在房子的四個(gè)腳點(diǎn),最后標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)可以作為兩個(gè)面之間的公共點(diǎn)進(jìn)行拼接,起到控制全局和減少累積誤差的作用。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

針對以上出現(xiàn)的三類問題,選取相關(guān)的區(qū)域進(jìn)行論證。本文所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)由廣州市城市更新規(guī)劃研究院的法如掃描儀(Focus 3DX330)獲取。該款型號(hào)激光掃描儀為一種相位干涉法三維激光掃描儀,測距精可達(dá)毫米級(jí),采樣速率最高可達(dá)9 760 000點(diǎn)/s,普通分辨率下,每站掃描2′47″,掃描儀集成全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)接收器,使掃描與后處理相互關(guān)聯(lián),快速拼接,適用于測量型應(yīng)用。

選取廣州市A小區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),該小區(qū)整片建筑均為6層以上高樓,單棟建筑總長度約為50～90 m,寬度為12～20 m,高度為21～35 m,小區(qū)點(diǎn)云如圖2～3所示。

圖2 小區(qū)所有原始點(diǎn)云

圖3 單棟原始點(diǎn)云

由表1結(jié)果可知,經(jīng)過分面處理后,每個(gè)面的配準(zhǔn)精度有所提高,相比于整體配準(zhǔn)誤差,分面配準(zhǔn)誤差都有所減小。并且可追蹤觀察到具體某個(gè)面的誤差情況,例如,房1中面2(南面)誤差最大為3.2 mm,說明整棟房子面2(南面)的原始數(shù)據(jù)效果最差,定位到房1的實(shí)際外業(yè)情況,該面與鄰近房屋距離較小,外業(yè)掃描空間較小,頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏,造成配準(zhǔn)難度,導(dǎo)致該面的配準(zhǔn)誤差偏大,但總的來說,每個(gè)面分面后,配準(zhǔn)誤差還是小于分面前的配準(zhǔn)誤差,這說明分面處理確實(shí)有利于控制每個(gè)面的配準(zhǔn)誤差。

實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行了刪點(diǎn)處理時(shí)間測試(表2),通過對4棟房子的刪點(diǎn)處理,算法在遍歷時(shí)間上直接可以跳出刪除的無用點(diǎn),節(jié)省了遍歷時(shí)間,從每棟房子節(jié)省的時(shí)間來看,針對單棟房子,刪點(diǎn)處理能大大節(jié)約配準(zhǔn)時(shí)間,將此處理方法應(yīng)用于大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,可大幅度節(jié)省工作時(shí)間,提高工作效率。

表2 刪點(diǎn)處理時(shí)間分析

實(shí)驗(yàn)3進(jìn)行了坐標(biāo)控制精度分析(表3),一般進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)拼接時(shí),會(huì)按照順時(shí)針或者逆時(shí)針進(jìn)行,在拼接的最后一站往往是誤差最大的站,試驗(yàn)選取了每個(gè)房子最后一站拼接的房頂點(diǎn)的高程作為精度分析點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)可得,經(jīng)過標(biāo)靶點(diǎn)控制累積誤差,房頂點(diǎn)的高程之差最大1.3 cm,最小可達(dá)0.4 cm,都在5 cm之內(nèi),完全滿足要求。

表3 坐標(biāo)控制精度分析

3 結(jié)束語

本文基于三維激光掃描進(jìn)行了城市更新立面改造方面的研究,探討了面向城市更新立面改造的三維激光掃描關(guān)鍵問題,經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)將三維激光掃描應(yīng)用于城市更新能夠達(dá)到城市更新對立面改造的精度要求,且具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢,目前正逐漸應(yīng)用于城市更新立面改造中。

(2)現(xiàn)有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件因?yàn)樗惴ū旧淼南拗?或多或少存在一定的弊端,必須要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行針對性處理改進(jìn)方能應(yīng)用于項(xiàng)目生產(chǎn)。

(3)在實(shí)際生產(chǎn)中,本文提出的分面處理、刪點(diǎn)處理和坐標(biāo)控制法能夠提高點(diǎn)云配準(zhǔn)效率、縮短點(diǎn)云處理時(shí)間、減小累積誤差,有效規(guī)避了現(xiàn)有JRC配準(zhǔn)算法的缺陷。