成余剛,吳正偉,周 益

(1.南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.泰州市地理信息測繪院，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

平面圖和剖面圖作為描述建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和位置布局的空間數(shù)據(jù)應(yīng)用十分廣泛，傳統(tǒng)的建筑物平立剖繪圖，主要采用全站儀、RTK等全野外數(shù)字采集，加以皮尺、手持測距儀輔助測量來實現(xiàn)。該方法存在工作量大、作業(yè)方式不靈活、效率低等缺點。無人機(jī)傾斜攝影測量在高大建筑物立面的測繪中得到廣泛應(yīng)用，正射影像信息全面、容易獲取，但是也有受遮擋嚴(yán)重影響精度不高，建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并不完整，城區(qū)無人機(jī)空域限飛等問題。激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新興的主動遙感技術(shù)，能快速、精準(zhǔn)地獲取目標(biāo)對象豐富的紋理信息和三維空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。特別地，地面三維激光掃描具有主動性強(qiáng)、操作方便、信息量大和建模速度快等特點，能夠靈活運用在室內(nèi)外測圖和建模中。龍潤澤等[1-2]介紹了三維激光掃描技術(shù)在建筑物平面圖生產(chǎn)中的應(yīng)用，主要應(yīng)用在混凝土建筑的測量，只是簡單測出墻體輪廓。張立等[3-6]總結(jié)了三維激光掃描技術(shù)在建筑物立面測量作業(yè)流程和精度分析，通過實例分析驗證了該技術(shù)在建筑立面測量的可行性。梁晨等[7-8]采用三維激光掃描儀采集點云數(shù)據(jù)，利用建模軟件建立建筑物三維模型，闡釋了三維模型可直觀地展現(xiàn)建筑物各個側(cè)面和構(gòu)造的優(yōu)勢。大量學(xué)者利用三維激光掃描繪制建筑物立面和建模，僅用地面三維激光掃描儀難以得到全面的建筑物數(shù)據(jù)，采用無人機(jī)結(jié)合地面三維激光掃描儀提高了掃描覆蓋率，但由于不同源點云難以融合，只能合并各自的二維矢量成果，無法直接利用點云建立完整三維模型。

本文以上海市松江區(qū)某蘇式建筑風(fēng)格庭院為研究對象，探討基于三維激光掃描技術(shù)的蘇式庭院三維建模方法，研究外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點云數(shù)據(jù)處理、三維重建、精度評定以及建筑物平面圖、立面圖、剖面圖的繪制和模型重建等作業(yè)流程和步驟，以期形成一套完整和高效的蘇式庭院三維重建方法。

1 研究區(qū)選取及數(shù)據(jù)采集

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為上海市松江區(qū)某蘇式風(fēng)格古建筑，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，該宅院位于園區(qū)內(nèi)部，分為三個板塊共計1.5 km2，中間主體為遷建過來的蘇式風(fēng)格的庭院古建，面積不大但講究亭臺軒榭的布局，新建鋼結(jié)構(gòu)玻璃房、鋁格柵吊頂?shù)冉ㄖ?，功能間較多，內(nèi)部狹窄復(fù)雜，屋頂遮擋嚴(yán)重。

1.2 研究目的和流程

本項目需要對庭院做整體測量，供設(shè)計師設(shè)計圖紙做參考，包括建筑物的平面位置、房屋高度、長度、寬度、門窗尺寸、滴水投影線、屋檐高度、屋脊輪廓，需繪制建筑物的平面圖、立面圖和剖面圖。利用常規(guī)的測繪手段短時間內(nèi)難以完成對建筑物復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測量，無人機(jī)作業(yè)存在空域限飛、建筑內(nèi)部數(shù)據(jù)缺失等情況，因此采用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行全方位建筑測圖。經(jīng)過前期的現(xiàn)場踏勘，了解建筑物特征并收集資料，編寫方案設(shè)計，然后現(xiàn)場掃描，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到庭院點云數(shù)據(jù)。蘇式庭院中間主體為古建筑，為滿足客戶三維可視化展示和數(shù)字化存檔的需要，進(jìn)行蘇式庭院的三維實體重建，包括二維矢量提取、三維幾何建模和紋理貼圖。具體實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 蘇式庭院三維建模流程

1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為方案設(shè)計和現(xiàn)場作業(yè)，方案設(shè)計是作業(yè)前的規(guī)劃，包括根據(jù)掃描對象特征選擇采集方法和架站方式、規(guī)劃掃描路線和控制點選址；現(xiàn)場作業(yè)包括依據(jù)路線依次掃描和控制測量。為了控制誤差的積累，保證測圖的精度，提高現(xiàn)場作業(yè)的流暢度，外業(yè)數(shù)據(jù)采集遵循由整體到局部，先控制后碎步的原則[10]。其次基于建筑室內(nèi)室外空間大小變換頻繁，內(nèi)部分布玻璃房、頂部遮擋嚴(yán)重等情況，需要考慮室內(nèi)外、屋頂與地面的聯(lián)系。

1.3.1 點云數(shù)據(jù)采集方法

根據(jù)作業(yè)目的和用途，結(jié)合掃描目標(biāo)特征選擇不同的作業(yè)方式。此蘇式庭院主體90%是磚木結(jié)構(gòu)房屋組合而成，局部是玻璃材質(zhì)，采集方法分為主體掃描和局部掃描。

(1)主體掃描。建筑整體含有豐富的軟件容易擬合的特征點，如房屋角點、頂點、柱體的軸心線、棱線、人工建筑的表面等。所以主體點云獲取采用基于地物特征點拼接的數(shù)據(jù)采集方法。

(2)局部掃描。蘇式風(fēng)格的建筑中新建了幾處鋼結(jié)構(gòu)玻璃房屋，中間功能廳位置用玻璃吊頂，玻璃對激光產(chǎn)生折射和穿透，屋頂結(jié)構(gòu)遮擋嚴(yán)重，采用特征點擬合誤差較大無法完成拼接。人工靶球不受玻璃折射和穿透的影響，可實現(xiàn)相鄰測站的快速拼接，因此這些位置采用基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方法。

1.3.2 架站方式

根據(jù)儀器類型和建筑特征采用掃描儀任意設(shè)站、多站拼接的方式。基準(zhǔn)站與其前后站組成掃描作業(yè)單元，假定掃描儀下一站方向為掃描前進(jìn)方向，基準(zhǔn)站與前一站連接標(biāo)靶稱為前視標(biāo)靶，基準(zhǔn)站與后一站連接標(biāo)靶為后視標(biāo)靶，前后視標(biāo)靶均為3個，類似水準(zhǔn)測量的方式搬站依次掃描。特殊地，為了采集屋頂?shù)臄?shù)據(jù)得到庭院完整點云，設(shè)計出地面與屋頂掃描作業(yè)單元如圖2，圖中A1為地面測站，A3為屋頂測站，范圍最廣的A2為升降機(jī)空中測站，3個測站實現(xiàn)地面與屋頂?shù)穆?lián)系。

圖2 地面與屋頂聯(lián)系掃描作業(yè)單元

作業(yè)時，在地面和屋頂分別布置3個靶球，利用升降機(jī)將掃描儀升到屋頂斜上空，注意掃描儀和最遠(yuǎn)標(biāo)靶之間距離小于掃描站有效掃描距離，升降機(jī)平穩(wěn)時伺機(jī)開始掃描，儀器自動監(jiān)測傾斜超限，若超限會終止掃描。

1.3.3 架站數(shù)量

掃描前對架站位置和行進(jìn)路線初步設(shè)計，掃描時根據(jù)情況做出調(diào)整。按照大空間轉(zhuǎn)小空間架設(shè)3站，中間連接處加1站，相鄰測站之間通視并有至少30%重疊度，測站間距為有效掃描距離一半的原則。

1.3.4 掃描站設(shè)置

配置文件選擇室外有效掃描距離20 m，分辨率根據(jù)室內(nèi)和室外空曠不同做出調(diào)整；傳感器選擇傾角儀；為節(jié)約掃描時間關(guān)閉彩色掃描；全景式掃描，單站獲取水平0～360°，垂直-60～90°的視場范圍。

1.3.5 控制測量

庭院周圍空曠，直接用RTK測量控制點，將棋盤靶紙貼在便攜的記錄板上作為棋盤板目標(biāo)，如圖3所示，此棋盤板目標(biāo)在點云中很容易擬合得到十字交叉點坐標(biāo)。在設(shè)計方案時布設(shè)5個控制點均勻分布在測區(qū)，掃描儀掃到控制點所在測站，將棋盤板目標(biāo)放置在激光束入射角大于45°位置，先用RTK測量十字交叉點在上海2000平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后完成掃描儀采集。這樣控制測量和掃描同步進(jìn)行，避免了控制點被移動帶來的誤差和復(fù)測，一個人即可完成測量，提升了工作效率。

圖3 便攜棋盤板目標(biāo)

2 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)的處理包括注冊掃描、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和點云過濾。

2.1 注冊掃描

三維激光掃描儀每一測站數(shù)據(jù)是以掃描儀位置和姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，三維模型的重構(gòu)要求將不同測站的掃描數(shù)據(jù)變換到整體坐標(biāo)系下，拼接成完整點云的過程稱為注冊掃描。掃描儀上的多種傳感器起到初始布置掃描的作用，但需要進(jìn)一步執(zhí)行掃描注冊以獲得測站之間更精確的空間關(guān)系。注冊掃描有3種方式，分別為基于目標(biāo)注冊、基于俯視圖注冊和基于云際注冊。

基于目標(biāo)注冊適用于基于標(biāo)靶的數(shù)據(jù)采集方式的測站，在測站之間均勻且高低有秩地架設(shè)3個靶球，完成數(shù)據(jù)采后，在SCENE軟件中使用對象標(biāo)記工具提取靶球，基于目標(biāo)注冊掃描將人工目標(biāo)連接的不同測站拼接到一起。特殊地，利用升降機(jī)升高掃描儀，實現(xiàn)地面與屋頂點云的拼接，效果如圖4所示。

圖4 地面與屋頂注冊效果圖

基于俯視圖是最為常用的掃描注冊方法，依賴掃描對象豐富的點、線、面等特征點，相鄰測站有30%以上的重疊度，自動擬合特征點并計算出測站點云群集間近似的旋轉(zhuǎn)平移矩陣，實現(xiàn)快速注冊。

基于目標(biāo)注冊和基于俯視圖注冊是粗配準(zhǔn)，相比前兩者基于云際是精配準(zhǔn)，基于云際注冊掃描的前提是完成粗配準(zhǔn)的預(yù)先注冊掃描。通過最小二乘、最近點迭代等方法計算得到更加精確的旋轉(zhuǎn)平移矩陣[10]，實現(xiàn)較高精度注冊的完整點云。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為了能與基礎(chǔ)地形圖接邊，使其更好應(yīng)用到測量領(lǐng)域，點云通常需要增加地理參考。將控制點坐標(biāo)按規(guī)格錄入測量數(shù)據(jù)外部參考文件，在SCENEN軟件中將拼接好的點云數(shù)據(jù)鎖定掃描，并在控制點所在的測站提取其位置，導(dǎo)入控制點坐標(biāo)參考文件基于目標(biāo)更新注冊，軟件平差算得轉(zhuǎn)換參數(shù)，將相對獨立坐標(biāo)系下的點云轉(zhuǎn)換到上海2000坐標(biāo)下。

2.3 點云過濾

點云過濾包括數(shù)據(jù)降噪和抽稀，掃描時不可避免的存在噪聲點，影響特征點擬合精度?；诙喾N過濾器對點云去噪，主要包括異常值過濾、深色掃描點過濾、離群點過濾和基于距離過濾。完成注冊和坐標(biāo)糾正之后，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)一步降噪，利用多邊形、矩形選擇器等多種方式手動選擇噪聲點，并將多余的部分剔除。

為防止點云切片轉(zhuǎn)換二維圖形的過程中因密度過大導(dǎo)致矢量數(shù)據(jù)模糊難以辨認(rèn)模型，需要對點云抽稀。具體操作為：將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CloudCompare軟件，降采樣進(jìn)行抽稀處理。

3 基于激光點云的三維重建

測繪領(lǐng)域的三維重建通常需要參照實際，將點云轉(zhuǎn)成建模軟件支持的數(shù)據(jù)格式直接參照，或?qū)Ⅻc云切片，基于切片進(jìn)行二維矢量制圖，然后三維建模和紋理映射。

3.1 二維矢量制圖

準(zhǔn)確獲取建筑物室內(nèi)外截面信息是提取墻體輪廓線的基礎(chǔ)。PointCab3.8軟件是一款強(qiáng)大的點云數(shù)據(jù)處理軟件，對多源點云在短時間內(nèi)不受限制的生成平面圖、剖面圖的正射影像，生成CAD系統(tǒng)支持的切片文件。

建筑物二維矢量信息的提取主要包括建筑物平面位置關(guān)系和立面幾何尺寸信息、內(nèi)部細(xì)部幾何尺寸和頂部水平位置投影線3個部分。對不同位置不同厚度的切片文件進(jìn)行參照，依據(jù)建筑標(biāo)準(zhǔn)化制圖化規(guī)范、結(jié)合設(shè)計師需求，利用AutoCAD軟件平臺的平面制圖功能分別繪制出測區(qū)建筑物的平面圖、立面圖和剖面圖。在清華山維EPS中利用點云數(shù)據(jù)很容易提取地形數(shù)據(jù)結(jié)合前面的平面圖繪制總平圖。

3.2 三維建模

將二維矢量圖導(dǎo)入3d MAX軟件，借助輪廓線進(jìn)行實體建模。由于蘇式庭院含有古建筑的屋頂，飛檐斗拱，建模相對復(fù)雜，使用Autodesk Recap將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為*.rcs格式，導(dǎo)入3d MAX軟件作為參考，在幾何建模過程中將數(shù)以整體的部分作為群組，構(gòu)造相同三維部分生成組件庫，逐步構(gòu)建庭院各部件白模，之后統(tǒng)一各部件的坐標(biāo)系組成一個完整的蘇式庭院模型。

3.3 紋理映射

紋理映射是生成真實感三維模型的關(guān)鍵步驟。在白模的表面賦予現(xiàn)實的紋理貼圖可使模型更加逼真。通過映射增加了模型的質(zhì)感。本文所使用的紋理貼完圖示采集的建筑物的現(xiàn)場照片，通過Photoshop軟件的剪貼、修圖、亮度、色彩度平和等功能，統(tǒng)一貼圖的色調(diào)，糾正紋理，給建筑物各部分指定材質(zhì)，通過調(diào)整材質(zhì)球參數(shù)實現(xiàn)透明貼圖。

在3d MAX中通常利用UVW貼圖，通過調(diào)整紋理的U、V、W參數(shù)使紋理的大小與幾何表面相對應(yīng)。圖5為蘇式庭院整體的三維實體模型。

圖5 蘇式庭院三維模型

4 精度分析

為了表征測量精度，確保成果符合規(guī)范，選擇二維矢量圖的尺寸誤差和點云數(shù)據(jù)的點位中誤差為精度分析指標(biāo)。

(1)尺寸誤差。為檢驗基于點云數(shù)據(jù)獲取的建筑物尺寸信息的準(zhǔn)確性，本文通過基于地面三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)獲取的建筑物尺寸Di與實地測量獲取的尺寸Si進(jìn)行對比，由公式(1)和(2)計算尺寸偏差。

Δi=Si-Di

(1)

E(Δi)=1/n·∑|Δi|

(2)

并以偏差統(tǒng)計的方式對建筑物二維信息的獲取進(jìn)行相對精度評定(表1)。

表1 平/立/剖繪圖精度評定統(tǒng)計表

由表1可知，通過對12個樣本尺寸的統(tǒng)計，基于地面三維激光掃描和點云切片二維信息提取和繪圖的精度平均可達(dá)1.3 cm。

(2)點位中誤差。選擇均勻分布在測區(qū)的11個同名檢核點，通過RTK和全站儀實測坐標(biāo)并記錄到“實測坐標(biāo)”欄，然后在點云模型中獲取同名點的全局坐標(biāo)，并記錄到“掃描儀坐標(biāo)”欄，接著逐個計算二者的X、Y、Z差值ΔX、ΔY、ΔZ。計算結(jié)果如表2所示。

表2 實測與掃描儀同名點坐標(biāo)對比單位/m

選取掃描區(qū)均勻分布多個同名檢核點評定點云數(shù)學(xué)精度，計算公式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σX、σY、σZ為同名檢核點在X、Y、Z軸方向上的中誤差；n為同名檢查點數(shù)目；σ為平面中誤差。

通過計算得：檢核點的平面位置中誤差為±2.5 cm，高程中誤差為±1.9 cm。由評定尺寸誤差和點位中誤差結(jié)果可知，點云平面位置及高程精度均滿足《工程測量規(guī)范》主要建(構(gòu))筑物平面點位中誤差±5 cm，高程中誤差±2 cm要求，基于此點云繪制的建筑物平、立、剖面圖結(jié)果可靠，是獲取庭院建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和位置布局行之有效的方法，完全適用于三維建模的底圖參考，使得模型具有更高的可靠性和真實性。

5 結(jié) 語

本文采用地面三維激光掃描儀獲取了庭院室內(nèi)外數(shù)據(jù)，并根據(jù)掃描對象不同特征選擇特定的采集方式，利用升降機(jī)平臺將掃描儀架設(shè)到空中，采集了測區(qū)相對完整的點云，方便后續(xù)二維矢量數(shù)據(jù)制作和建模，彌補了地面三維激光掃描儀掃描時建筑物頂部信息缺失嚴(yán)重的不足，為采集建筑物死角信息提供了新方法。通過外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、基于激光點云的三維重建和精度評定四大環(huán)節(jié)的研究，驗證了采用該方法對蘇式風(fēng)格庭院建筑三維建模效果理想，符合規(guī)范。與傳統(tǒng)的測繪方式相比，地面三維激光掃描技術(shù)降低了外業(yè)作業(yè)強(qiáng)度，將測量的難度轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)[9]。但是，本文為了得到建筑物較為詳細(xì)完整的信息，測站數(shù)較多，增加了內(nèi)業(yè)的工作量，如何用更少的測站得到更完整的信息以及如何利用多源點云數(shù)據(jù)建立三維模型并展示發(fā)布，是后續(xù)進(jìn)一步的研究方向。