楊紅軍，郭威，孫進(jìn)冬，韓鮑勝

(1.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211102； 2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所，江蘇 南京 210049)

1 引 言

對(duì)老舊廠房進(jìn)行改造設(shè)計(jì)首先應(yīng)對(duì)其現(xiàn)有狀況進(jìn)行準(zhǔn)確測繪，三維激光掃描技術(shù)因具有掃描速度快、掃描細(xì)節(jié)表現(xiàn)好、數(shù)據(jù)采集精度高等優(yōu)勢(shì)[1]，成為廠房改造設(shè)計(jì)的主要測繪方法。在大范圍廠房測繪實(shí)踐中，廠區(qū)內(nèi)經(jīng)常有掃描人員難以到達(dá)的隱蔽區(qū)域，單純采用站式掃描測量方法難以獲得建筑完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。為快速獲取廠房外立面三維坐標(biāo)和紋理信息作為站式掃描的補(bǔ)充，本次實(shí)驗(yàn)引入輕量級(jí)無人機(jī)對(duì)廠區(qū)開展傾斜攝影測量，通過無人機(jī)良好的視場角來解決站式掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺漏的技術(shù)難題[3]。

2 研究背景與技術(shù)流程

2.1 研究背景

實(shí)驗(yàn)區(qū)為某老舊紡織廠，廠房占地面積約 15 000 m2，地勢(shì)平坦。廠區(qū)建筑以一層框架結(jié)構(gòu)為主，部分職工宿舍為二層房屋。整個(gè)紡織廠建筑密集，建筑間有圍墻阻隔、房屋窗戶多被封堵，掃描視野狹隘、通視困難。測區(qū)影像如圖1所示。

圖1 測區(qū)影像圖

2.2 技術(shù)流程

以無人機(jī)傾斜攝影、三維激光掃描為代表的測繪新技術(shù)近年得到較快發(fā)展，使測繪方式及應(yīng)用領(lǐng)域有了較大提升[4]。實(shí)驗(yàn)通過站式掃描儀對(duì)廠房內(nèi)部開展三維掃描的同時(shí)，使用無人機(jī)傾斜攝影對(duì)地面視角難以獲取的廠房頂蓋，廠區(qū)外立面等區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充采集，最終將兩者獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[5]，獲得廠區(qū)完整的三維位置信息與紋理影像數(shù)據(jù)，用于繪制立面圖、軸網(wǎng)圖、平面圖、頂視圖、剖面圖等圖件資料[2]，技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖

3 基本原理及技術(shù)指標(biāo)

3.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域繼GPS之后又一次技術(shù)革命[1]，他突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)，利用激光脈沖對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描，可以大面積、大密度、快速度、高精度地獲取地物的三維位置信息[6]。近年來，站式掃描測量系統(tǒng)，機(jī)載和車載激光雷達(dá)系統(tǒng)正逐漸廣泛地應(yīng)用于測繪生產(chǎn)研究的各個(gè)領(lǐng)域[7]。本次實(shí)驗(yàn)需要掃描的對(duì)象主要分布在廠房內(nèi)部，工作環(huán)境狹小，GNSS信號(hào)遮擋嚴(yán)重，移動(dòng)掃描測量方式難以開展。站式掃描無須GNSS信號(hào)，人工搬站靈活方便[6]，并可通過公共點(diǎn)云拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)在巷道中或樓梯上的坐標(biāo)傳遞，將不同的站點(diǎn)坐標(biāo)納入統(tǒng)一的獨(dú)立坐標(biāo)體系，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程通常利用布爾莎7參數(shù)模型[8]。

(1)

式中，3個(gè)平移參數(shù)[△X△Y△Z]T，3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)[εXεYεZ]T和1個(gè)尺度參數(shù)m。

本次實(shí)驗(yàn)選用帶有視覺追蹤自動(dòng)拼接功能的新型站式掃描儀，其掃描范圍為 0.5 m～130 m，掃描速率200萬點(diǎn)/秒，標(biāo)稱點(diǎn)位精度在 20 m距離內(nèi)為 2.9 mm。實(shí)驗(yàn)中相鄰兩設(shè)站點(diǎn)距離不大于 20 m，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換拼接后殘差不大于 3 mm。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影

傾斜攝影技術(shù)在攝影方式上區(qū)別于傳統(tǒng)的垂直航空攝影，突破了正射影像只能從垂直角度拍攝的約束[9]，通過無人機(jī)平臺(tái)掛載的傾斜相機(jī)，從不同的傾斜角度采集影像，模擬出符合視覺感受的真實(shí)立體世界[1]。目前主流的傾斜攝影相機(jī)分為五鏡頭和單鏡頭兩類[5]，其中單鏡頭相機(jī)質(zhì)量輕便，能集成在輕量型無人機(jī)上，操控簡便、成本低廉[2]。本次實(shí)驗(yàn)選用相機(jī)主距為 8.8 mm，像元尺寸為 2.412 um的某輕量型無人機(jī)對(duì)廠區(qū)開展傾斜攝影。為獲得清晰度較好，分辨率較高的傾斜模型，需要在航飛前進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，數(shù)碼航空攝影的地面分辨率取決于飛行高度，其值可按下式計(jì)算。

(2)

式中，h為相對(duì)航高；f為鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率。

由上式計(jì)算可知，本次實(shí)驗(yàn)為確保廠區(qū)地面分辨率優(yōu)于 1.5 cm，無人機(jī)航線設(shè)計(jì)階段所確定的相對(duì)航高應(yīng)不大于 55 m。

4 實(shí)驗(yàn)過程

4.1 坐標(biāo)系統(tǒng)匹配

地面三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過公共點(diǎn)云拼接成一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系，無人機(jī)傾斜攝影可通過連接CORS基站直接獲取每張照片準(zhǔn)確的POS信息。為將兩者獲取的成果納入一個(gè)坐標(biāo)系中首先應(yīng)布設(shè)控制標(biāo)靶[10]。實(shí)驗(yàn)布設(shè)7個(gè)直徑為 18 cm的黑白相間圓形紙質(zhì)標(biāo)靶(圖3為標(biāo)靶樣式、圖4為掃描點(diǎn)云識(shí)別的標(biāo)靶、圖5為傾斜模型識(shí)別的標(biāo)靶)，并使用JSCORS采集其三維坐標(biāo)，每個(gè)標(biāo)靶采集三次取平均值為最終成果用于站式掃描點(diǎn)云糾正的起算數(shù)據(jù)。

圖3 標(biāo)靶樣式 圖4 點(diǎn)云標(biāo)靶 圖5 傾斜模型標(biāo)靶

控制標(biāo)靶應(yīng)均勻布設(shè)在測區(qū)范圍內(nèi)如圖6所示，對(duì)GNSS信號(hào)較差的廠房間狹小區(qū)域布設(shè)的標(biāo)靶點(diǎn)，使用JSCORS直接采集有困難時(shí)也可以通過傾斜攝影間接獲取的標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)用于地面三維激光點(diǎn)云糾正，最終實(shí)現(xiàn)站式掃描與傾斜攝影坐標(biāo)系統(tǒng)匹配[11]。

圖6 試驗(yàn)區(qū)控制標(biāo)靶分布圖

4.2 站式掃描數(shù)據(jù)采集與處理

站式掃描儀在廠房點(diǎn)云采集時(shí)先布設(shè)掃描站點(diǎn)位置，設(shè)站時(shí)綜合考慮標(biāo)靶識(shí)別的點(diǎn)云密度，且測站間距離不宜超過 20 m。掃描廠房內(nèi)部應(yīng)走“之”字形路線，使掃描視角多元化，能從更多角度獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少點(diǎn)云遮擋[12]；通過樓梯向樓上傳遞坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)在每個(gè)樓梯平臺(tái)架設(shè)站點(diǎn)，增加掃描公共點(diǎn)云的重疊度；在進(jìn)出廠房大門或從窗戶傳遞坐標(biāo)時(shí)應(yīng)增加掃描站點(diǎn)密度，以增加拼接強(qiáng)度[13]；點(diǎn)云掃描遷站過程應(yīng)控制在三分鐘內(nèi)，避免拖延時(shí)間久，導(dǎo)致掃描儀的視覺追蹤能力下降，降低后期自動(dòng)拼接成功的可能。實(shí)驗(yàn)中掃描站點(diǎn)平面分布如圖7所示，三維分布如圖8所示。

圖7 站點(diǎn)平面分布圖

圖8 站點(diǎn)三維分布圖

外業(yè)掃描結(jié)束后將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接通過U盤拷貝到計(jì)算機(jī)，此時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為各個(gè)獨(dú)立測站坐標(biāo)系。測站拼接以第一個(gè)測站坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，通過自動(dòng)拼接功能確定測站位置關(guān)系。對(duì)于沒能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接的測站需手動(dòng)擺放位置進(jìn)行拼接。拼接原理為通過公共點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取同名點(diǎn)坐標(biāo)來計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和殘差，并利用轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云拼接[14]。點(diǎn)云拼接時(shí)，測站間拼接的鏈接應(yīng)盡量形成閉合環(huán)，通過對(duì)測站間鏈接的閉合情況檢查來確保拼接正確，避免計(jì)算機(jī)程序算法對(duì)公共點(diǎn)云的誤判[4]。拼接前點(diǎn)云如圖9所示、拼接后點(diǎn)云如圖10所示、點(diǎn)云配準(zhǔn)計(jì)算如圖11所示。

掃描的老舊廠區(qū)共架設(shè)208個(gè)測站，通過內(nèi)業(yè)測站拼接建立的213個(gè)鏈接將所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一坐標(biāo)系中。拼接完成后，還需對(duì)所有點(diǎn)云進(jìn)行一次優(yōu)化計(jì)算，以提高整體點(diǎn)云拼接強(qiáng)度。為將實(shí)驗(yàn)區(qū)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)傾斜攝影成果納入統(tǒng)一坐標(biāo)系，還需通過控制標(biāo)靶對(duì)整體點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。計(jì)算時(shí)將整個(gè)點(diǎn)云視為一個(gè)剛體，糾正后點(diǎn)云上標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)直接采集標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)較差如表1所示。

圖9 拼接前點(diǎn)云圖

圖10 拼接后點(diǎn)云圖

圖11 點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果圖

點(diǎn)云標(biāo)靶殘差表 表1

表1顯示，標(biāo)靶殘差最大為 0.032 m，說明整體點(diǎn)云拼接正確，坐標(biāo)配準(zhǔn)準(zhǔn)確無誤。然后將糾正后的點(diǎn)云導(dǎo)出為las格式數(shù)據(jù)，用于導(dǎo)入測圖軟件繪制各種設(shè)計(jì)圖件。

4.3 無人機(jī)傾斜攝影

無人機(jī)傾斜攝影航飛前進(jìn)行實(shí)地踏勘，了解測區(qū)周邊是否有影響飛行安全的高大建筑。通過綜合航飛安全和分辨率需求，本次實(shí)驗(yàn)相對(duì)航高設(shè)為 50 m，航向重疊度和旁向重疊度均為80%，云臺(tái)角度為-60°；采用井字航線自主飛行，共獲取 1 700余張照片，地面分辨率約 1.4 cm；在布設(shè)標(biāo)靶位置降低航高，補(bǔ)充手控拍照以獲取清晰標(biāo)靶照片。為從傾斜攝影模型中獲取較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)建模采用ContextCapture軟件進(jìn)行[1]。建模前從傾斜攝影照片中獲取相機(jī)像主點(diǎn)位置(x0，y0)，相機(jī)畸變參數(shù)(k1，k2，k3，p1，p2)，每張照片準(zhǔn)確的POS信息，綜合相機(jī)主距(f)，像元尺寸(a)等數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)免相控建模，模型重建結(jié)果需勾選傾斜模型osgb格式和點(diǎn)云las格式兩種[15]。在獲取的傾斜模型上量取7個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)與外業(yè)直接采集的標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行比較，其差值如表2所示。

傾斜模型標(biāo)靶殘差表 表2

表2顯示，傾斜模型標(biāo)靶殘差最大為 0.053 m，說明免相控建模結(jié)果正確，站式掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影獲取的傾斜模型數(shù)據(jù)坐標(biāo)一致。為提高兩種方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的匹配程度，還可以在ContextCapture軟件中對(duì)無人機(jī)獲取的標(biāo)靶照片進(jìn)行刺點(diǎn)，通過相控點(diǎn)提高傾斜模型的精度[5]。

4.4 點(diǎn)云融合及圖件繪制

立面圖繪制過程中，經(jīng)常會(huì)因點(diǎn)云遮擋、掃描不全導(dǎo)致判讀不準(zhǔn)，難以對(duì)整個(gè)建筑架構(gòu)有全面把握。單純采用地面三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖12所示)缺失嚴(yán)重[3]，尤其是房頂和人員無法到達(dá)的隱蔽區(qū)域。此時(shí)通過疊加無人機(jī)視角的傾斜模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖13所示)可有效提高點(diǎn)云的完整性，讓各種圖件繪制容易判讀、尺寸更準(zhǔn)確。

圖12 站式掃描點(diǎn)云圖

圖13 疊加傾斜模型點(diǎn)云圖

圖12、圖13對(duì)比可明顯看出，站式掃描儀僅能獲取房屋頂蓋的內(nèi)壁，無法獲得頂蓋上方的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。且因圍墻阻隔，人員無法進(jìn)入的隱蔽區(qū)域，站式掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)表現(xiàn)為黑色空洞。而無人機(jī)傾斜攝影依賴拍照平臺(tái)良好的視場角可獲得完整頂蓋點(diǎn)云，對(duì)于隱蔽區(qū)域也能獲取部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。

基于上述兩種方法獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為las格式，共同加載到測圖軟件中即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)融合。立面圖繪制時(shí)應(yīng)首先將點(diǎn)云進(jìn)行切片(如圖14所示)，后參照點(diǎn)云位置尺寸進(jìn)行立面圖繪制(如圖15所示)。為保持不同圖件中相同部件尺寸無較大誤差，可首先繪制平面圖，在平面圖上繪制出窗戶門框等部件；后切換至立面測圖，保留平面圖上的部件，繪制立面時(shí)參考平面圖相關(guān)尺寸[10]。

圖14 點(diǎn)云立面切片圖

圖15 立面圖

5 結(jié) 語

(1)在老舊廠房改造項(xiàng)目中采用站式掃描儀對(duì)廠房內(nèi)外開展掃描能獲得房屋墩柱、橫梁、門窗等建筑細(xì)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)受站式掃描儀站點(diǎn)位置限制，屋頂和人員無法到達(dá)的隱蔽區(qū)域點(diǎn)云缺失，通過使用輕量型無人機(jī)快速獲取掃描區(qū)域傾斜模型及點(diǎn)云數(shù)據(jù)可作為繪圖建模的有益補(bǔ)充。

(2)通過布設(shè)與測量控制標(biāo)靶可實(shí)現(xiàn)地面掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)融合。融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加完整，設(shè)計(jì)圖件繪制時(shí)對(duì)點(diǎn)云的判讀更直觀、尺寸更準(zhǔn)確。

(3)站式掃描儀在基于公共點(diǎn)云拼接時(shí)，測站間拼接的鏈接應(yīng)盡量形成閉合環(huán)，通過對(duì)測站間鏈接的閉合情況檢查來確保拼接正確，避免計(jì)算機(jī)程序算法對(duì)公共點(diǎn)云的誤判。