蘭志成， 仇亞進(jìn)， 奚雪峰*， 崔志明， 胡伏原

（1.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市虛擬現(xiàn)實(shí)智能交互及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州科技大學(xué) 智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009）

作為古典園林不可或缺的元素，假山鐘天地之靈秀兼歷史文化之積淀，因其特有的風(fēng)格與較高的藝術(shù)造詣而在世界上獨(dú)樹一幟，但同時(shí)面臨隨時(shí)間遷移而損壞的問題。 傳統(tǒng)假山在經(jīng)過不斷保護(hù)與修復(fù)得以存留至今，因此假山的保護(hù)與修葺工作應(yīng)當(dāng)慎重。 為避免假山損壞帶來的文化損失以及安全隱患，對假山進(jìn)行變形監(jiān)測顯得尤為重要，同時(shí)，也可以將監(jiān)測的變化作為修葺依據(jù)。 過去對建筑物表面測量結(jié)合卷尺、測距儀以及非棱鏡全站儀對待測建筑物關(guān)鍵位置的空間點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行采集，測量得到詳細(xì)數(shù)據(jù)，最后由人工繪制平面圖[1]。但這種方法往往效率偏低并且采集數(shù)據(jù)有限，無法對假山整體變化進(jìn)行有效測量。隨著攝影測量技術(shù)、遙感技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)等新型監(jiān)測技術(shù)的不斷更新發(fā)展，傳統(tǒng)測量技術(shù)的許多不足之處得到彌補(bǔ)與解決[2-6]。 其中，基于空間精確定位的方法利用三維激光掃描測量技術(shù)無需使用卷尺等低精度測量工具提取監(jiān)測物的位置信息，對監(jiān)測物實(shí)現(xiàn)高密度、非接觸、高精度、高效率的掃描，并且可以使用計(jì)算機(jī)對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，避免了以往人工對監(jiān)測物表面測量時(shí)出現(xiàn)的漏測、錯(cuò)測、效率低等弊端，因此適用于各種建筑物表面的測量，被廣泛應(yīng)用于各種工程建設(shè)領(lǐng)域[7-10]。 葛紀(jì)坤等[11]以基坑及四周圍護(hù)墻體的整體變形作為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)對基坑圍墻的2D 局部和3D 整體變形進(jìn)行監(jiān)測研究。 楊永林等[12]采用三維激光掃描技術(shù)對萬壽寺古塔進(jìn)行變形監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)方法測量精度低而且過程復(fù)雜的問題。 司夢元等[13]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高速公路高邊坡的變形監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對邊坡失穩(wěn)破壞狀況的提前預(yù)警。

根據(jù)各種工程領(lǐng)域?qū)⑷S激光掃描技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測的結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)變形監(jiān)測的不足。 為此提出一種基于三維激光掃描的園林假山測量方法，對假山及其表面樹木的空間位移趨勢進(jìn)行監(jiān)測，利用三維激光掃描儀采集到的不同時(shí)期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)分析，實(shí)現(xiàn)對假山整體空間位移變形以及樹木水平位移變形的監(jiān)測分析，以期為園林假山的修葺加固工作提供參考。

1 三維激光掃描

1.1 架站式三維激光掃描

架站式三維激光掃描儀是目前最常使用的三維激光掃描儀，由高脈沖速率激光測距儀和定向反射鏡組成，從而準(zhǔn)確地測量激光頭到目標(biāo)的距離，然后根據(jù)反射鏡角度計(jì)算檢測目標(biāo)的三維坐標(biāo)[14]。 三維激光掃描儀使用反射激光脈沖技術(shù)來準(zhǔn)確地創(chuàng)建掃描對象的數(shù)字模型，在幾秒內(nèi)可以獲得幾千到幾萬個(gè)包含空間坐標(biāo)信息的點(diǎn)[15]。

1.2 研究對象概況

論文以蘇州市環(huán)秀山莊假山為研究對象。環(huán)秀山莊是以湖石、假山為主的一處古典園林，建造時(shí)間可追溯到晉朝時(shí)期，1988 年2 月被列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。假山占據(jù)全園三分之一的面積，被池水分為主峰與次峰兩個(gè)部分。假山主峰包括前后兩部分，中間有一米左右幽谷，假山內(nèi)部鏤空，有兩處石屋，外表與自然真山相仿。假山主峰高約7.2 m，山徑長約60 m。

1.3 施測流程

針對園林假山獨(dú)有的構(gòu)造，需要對假山整體進(jìn)行實(shí)地考察，并按照實(shí)際需求充分發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)快速、 高精度以及非接觸測量的優(yōu)勢，其施測流程如圖1 所示。

圖1 三維掃描施測流程

不同于傳統(tǒng)測量方法需要保證光照等環(huán)境條件充足， 三維激光掃描技術(shù)可以在昏暗環(huán)境下進(jìn)行，適用于假山內(nèi)石室掃描。整體測站的拼接可以用標(biāo)靶球（紙） 拼接或者無參考對象拼接等方法[16]。 使用標(biāo)靶球（紙）需要思考球（紙）的擺放位置，雖然會(huì)影響整體掃描時(shí)間，但方便數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。使用無參考對象拼接時(shí)，可以大大縮短整體掃描時(shí)間，但數(shù)據(jù)處理時(shí)不便于點(diǎn)云拼接。

1.4 路線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集

使用架站式三維激光掃描儀進(jìn)行假山空間坐標(biāo)信息采集前，需要對測量的路線提前規(guī)劃，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)測量目標(biāo)的完整掃描[17]。對測量路線的提前規(guī)劃，將會(huì)有效地提高測量的效率，通過實(shí)地勘測和對已有資料的分析確定掃描方案，在保證數(shù)據(jù)采集完整的前提下，盡量減少設(shè)站以避免數(shù)據(jù)冗余。園林掃描架站位置如圖2 所示，采取由遠(yuǎn)及近、由里及外、由下及上的方式對假山進(jìn)行全方位掃描。

圖2 掃描線路規(guī)劃

數(shù)據(jù)采集中使用的三維激光掃描儀為FARO Focus S150， 該掃描儀的掃描類型為架站式，測程為0.6~150 m，掃描精度是±1 mm，具有360°×300°的掃描視角，該儀器具有極高的掃描速率，最快可達(dá)到每秒測量97.6 萬個(gè)點(diǎn)，工作效率得到極大地提高。 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，先對該站點(diǎn)處假山進(jìn)行基本掃描，獲得假山表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對該站點(diǎn)中所有，標(biāo)靶球進(jìn)行精確掃描，獲得精確的標(biāo)靶球空間坐標(biāo)，以便后續(xù)拼接。 將上述掃描操作用于所有站點(diǎn)，直到完成對整個(gè)假山的數(shù)據(jù)采集。

在對假山的整體掃描過程中，每期的掃描測站點(diǎn)并不固定，根據(jù)實(shí)際掃描過程確定架站位置，這導(dǎo)致兩期獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系并不統(tǒng)一。為了方便后期數(shù)據(jù)比對，需要將兩期坐標(biāo)置于統(tǒng)一坐標(biāo)系中。選取三維激光掃描中布置的多個(gè)標(biāo)靶球作為控制點(diǎn)，采用全站儀對多個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)測定，建立以全站儀的測站位置為中心的固定坐標(biāo)系。 測量過程中采用園林中地面上穩(wěn)固的控制點(diǎn)作為全站儀的測量基點(diǎn)，通過將全站儀所在坐標(biāo)系與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中標(biāo)靶球坐標(biāo)匹配，從而保證兩期掃描中點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)統(tǒng)一，因此無需保持兩次掃描的標(biāo)靶紙坐標(biāo)一致。 此次園林假山掃描一期共布設(shè)49 個(gè)測站點(diǎn)，二期總共布設(shè)42 個(gè)測站點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)處理

在使用三維激光掃描儀對假山進(jìn)行掃描后， 得到包含假山表面一系列的三維空間坐標(biāo)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合，稱之為點(diǎn)云，它對假山表面進(jìn)行了全面的描述[18]。 但由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)太過龐大，通常包含上千萬的數(shù)據(jù)點(diǎn)， 而這些數(shù)據(jù)點(diǎn)中必然摻雜著各種由于遮擋或其他原因造成的噪聲點(diǎn)， 因此有必要在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對前對初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取預(yù)處理操作。 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：點(diǎn)云拼接、去除冗余數(shù)據(jù)和格式轉(zhuǎn)換等。 數(shù)據(jù)處理整體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接是指將多個(gè)坐標(biāo)系中的大量三維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)計(jì)算過程[19]。 由于整個(gè)假山的掃描范圍跨度大，并且地形條件復(fù)雜，包括外景草木叢生和內(nèi)景廊道石室，而掃描儀在測量時(shí)掃描視角有限，被測物之間互有遮擋等原因，使得掃描儀在每一站點(diǎn)所能采集到的假山空間坐標(biāo)信息是有限的，不足以對整個(gè)假山進(jìn)行建模。 因此，為了將研究區(qū)域構(gòu)建完整，應(yīng)該在假山周圍設(shè)立站點(diǎn)，多角度環(huán)繞實(shí)體，對其進(jìn)行多站掃描[20]。

在每一架站處對假山進(jìn)行掃描時(shí)， 由于所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)皆處于該站點(diǎn)處獨(dú)立的空間坐標(biāo)系中，也因此導(dǎo)致一個(gè)問題，即各個(gè)站點(diǎn)所采集的空間坐標(biāo)信息處于各自的坐標(biāo)系中是相互獨(dú)立的，同一點(diǎn)位在不同站點(diǎn)所處坐標(biāo)系中坐標(biāo)不同。因此，為了實(shí)現(xiàn)對假山整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理和建模，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行點(diǎn)云拼接（或配準(zhǔn)），利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將不同測站下所有的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到基準(zhǔn)坐標(biāo)系下[21]。

對于假山外景，采用基于標(biāo)靶球拼接方法。基于標(biāo)靶球的拼接是點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接中使用最廣、拼接精度最好的一種拼接方法，而且標(biāo)靶球布設(shè)簡單、效率高。將不同測站之間的共同標(biāo)靶的空間坐標(biāo)按照公式（1）轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。

其中，（λ，α，β，γ，△x，△y，△z）表示兩個(gè)坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換參數(shù)，λ 表示尺度縮放系數(shù)，（α，β，γ）代表旋轉(zhuǎn)參數(shù)，（△x，△y，△z）代表平移參數(shù)。

對于假山內(nèi)部狹道，采用基于視圖進(jìn)行自動(dòng)拼接方法。 當(dāng)掃描儀在不同視點(diǎn)進(jìn)行掃描后，所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺少公共標(biāo)靶和控制點(diǎn)條件時(shí)，通過提取兩站掃描數(shù)據(jù)之間共同視圖的特征點(diǎn)，利用這些特征點(diǎn)的同名點(diǎn)云配對計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于視圖的自動(dòng)拼接[22]。

點(diǎn)云拼接完成后園林整體的點(diǎn)云模型如圖4 所示。

圖4 拼接后園林整體點(diǎn)云模型

2.2 導(dǎo)入空間坐標(biāo)

每期掃描采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拼接完成后分別處于獨(dú)立的空間坐標(biāo)系中，為使空間坐標(biāo)統(tǒng)一，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)與全站儀觀測的控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)一。 在數(shù)據(jù)處理時(shí)，分別將每期全站儀測得的控制點(diǎn)坐標(biāo)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)中標(biāo)靶球坐標(biāo)相對應(yīng)，即可得統(tǒng)一兩期項(xiàng)目點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)。 最終得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含假山的空間坐標(biāo)信息，同時(shí)也包含顏色等信息，從而獲取更加豐富的信息[23]。

2.3 點(diǎn)云去冗

在采集數(shù)據(jù)時(shí)由于掃描儀是扇形發(fā)射激光點(diǎn)，對于遠(yuǎn)處的邊緣點(diǎn)以及稀疏、多余的點(diǎn)，軟件默認(rèn)是常規(guī)數(shù)據(jù)[24]，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中存在無關(guān)的噪聲。 利用濾波將離群點(diǎn)以及稀疏、多余點(diǎn)云數(shù)據(jù)刪除，留下目標(biāo)主體數(shù)據(jù)，這是由選擇標(biāo)準(zhǔn)決定的。 根據(jù)其識(shí)別出的不準(zhǔn)確掃描點(diǎn)的方法和之后將采取的應(yīng)對措施，過濾器會(huì)有所不同。過濾器依照其特定的方法檢查每個(gè)掃描點(diǎn)并建立一個(gè)質(zhì)量值。如果該質(zhì)量值超出已設(shè)定的閾值，將更正或刪除該掃描點(diǎn)。

對于不能夠自動(dòng)濾除的噪聲， 需要人工操作方式進(jìn)行過濾[25]。在對所有站點(diǎn)拼接完成之后，使用三維視圖，對俯視圖和側(cè)視圖分別使用多邊形選擇器選擇目標(biāo)并刪除。 整體的掃描包括假山、房屋建筑、長廊、涼亭等對象，由于文中的測量主要對象為假山，所以對于多余建筑需要手動(dòng)去除，去除后效果如圖5 所示。

圖5 去冗后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)比對

將園林假山進(jìn)行兩次掃描的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，目的是為了得到一個(gè)三維色譜圖。 首先將一期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格模型，二期掃描數(shù)據(jù)仍為點(diǎn)云。 然后將一期掃描數(shù)據(jù)設(shè)置為Reference（參考），二期掃描數(shù)據(jù)設(shè)置為Test（測試）。

在兩期掃描的空間坐標(biāo)系相同的條件下，對比對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包含最大偏差、臨界值和名義值。 最大偏差和臨界值是指兩期數(shù)據(jù)比對后偏差范圍，名義值是所能接受的合理偏差范圍，不同范圍的偏差在色譜圖中以不同顏色顯示。 若名義值范圍設(shè)置1.5 cm，則色譜圖中1.5 cm 以內(nèi)偏差的部分顯示為綠色。

由圖5 可看出假山上樹木的成長必定會(huì)對假山的沉降造成影響。 為了研究假山上樹木對于假山的影響，需要單獨(dú)對假山上的樹木進(jìn)行比對分析， 以此衡量樹木存在的必要性。 因此， 將兩期樹木點(diǎn)云手動(dòng)單獨(dú)提取出來對比， 并對不同高度的樹干進(jìn)行橫截面測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過將兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行比對， 并選取8 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行注釋， 注釋信息包含該點(diǎn)的總體偏差和在X/Y/Z 三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的偏差。 每個(gè)顏色代表不同的偏差范圍，如圖6 所示角度為假山的俯視圖。

圖6 假山比對3D 分析注解

每個(gè)注釋點(diǎn)的具體信息，兩期的空間坐標(biāo)以及對比的偏差結(jié)果見表1。

表1 偏差結(jié)果

將圖6 與表1 的比對結(jié)果結(jié)合可以得到，假山整體呈下降的趨勢，且主要下降區(qū)間為0 至1 cm。 圖中假山上灌木草叢等雜物使得結(jié)果出現(xiàn)紅藍(lán)交錯(cuò)區(qū)域，對假山的變化無參考價(jià)值。

根據(jù)對兩期樹的不同高度進(jìn)行截面分析，如圖7 所示，1 號(hào)為一期掃描，2 號(hào)為二期掃描。 可以看出在高度Z=2.6 m 左右樹干向右傾斜，隨著高度增加，在高度Z=4.4 m 左右樹干向左傾斜。 結(jié)合圖5 中樹的傾斜角度，可得樹的整體呈頂部下垂底部上翹的趨勢。

圖7 不同高度樹干截面

為了更好地展示假山的位移變化， 對假山比對后結(jié)果進(jìn)行切面比較， 包括YOX 面、XOZ 面以及YOZ面，并選取多處截面進(jìn)行比較。 如圖8 所示，通過對高度2.619 5 m 處的水平切面，得到該高度處的橫切面偏差結(jié)果，并選取9 個(gè)位置進(jìn)行注釋。 由注釋點(diǎn)可以看出所選取點(diǎn)均向南偏移（Dy＜0）。

圖8 假山橫切面注解圖

4 結(jié)語

利用三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量的不足之處，為園林假山沉降提供了有效的解決方案，突破傳統(tǒng)方法僅對有限點(diǎn)的測量。 實(shí)踐證明，基于三維激光掃描技術(shù)的園林假山三維模型的構(gòu)建具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集快、三維模型精度高及細(xì)節(jié)表達(dá)詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，可以快速獲取假山表面的空間高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型，進(jìn)而可以構(gòu)建園林假山精確、真實(shí)、全方位的三維空間信息數(shù)字檔案，依據(jù)逐年比對點(diǎn)云模型中所處位置的空間三維數(shù)據(jù)，從而為假山修葺加固提供輔助決策依據(jù)。