李東晉

（重慶市勘測院，重慶 400000）

0.引言

歷史文化街區(qū)和歷史建筑是城鄉(xiāng)記憶的物質(zhì)留存，具有不可再生的寶貴價值[1]。加強歷史街區(qū)建筑保護、更新改造及活化利用，對傳承和弘揚歷史建筑文化具有重要意義。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，歷史街區(qū)保護已從傳統(tǒng)保護轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化保護[2]。在歷史街區(qū)環(huán)境與結(jié)構(gòu)復雜等因素制約下，如何采用新興空間信息技術(shù)實現(xiàn)歷史街區(qū)高精度測繪已成為眾多測繪學者研究的熱點與重點。

國內(nèi)外很多研究者利用新技術(shù)手段對歷史街區(qū)進行地形圖和立面測繪，文獻[3]、文獻[4]提出利用免棱鏡全站儀測量歷史建筑的坐標和邊長；文獻[5]提出利用三維激光掃描技術(shù)獲取街區(qū)高精度點云數(shù)據(jù)進行立面測量。以上研究與應用雖可實現(xiàn)歷史街區(qū)立面圖測繪，但都存在一些弊端：全站儀和三維激光掃描儀測量工作量大、效率低，缺乏頂部信息；無人機傾斜攝影方法在狹窄歷史街道難以實施，且缺乏底層立面信息；傳統(tǒng)架站式三維激光掃描工作量大、測站數(shù)多，在狹窄街區(qū)掃描效率較低。三維激光掃描與傾斜攝影相結(jié)合的方法能解決以上弊端，在對歷史街區(qū)地形圖和立面測繪時能減少工作量、提高精度，適用于狹窄歷史街道，進而提高測繪工作效率。

1.項目概況與技術(shù)路線

1.1 項目概況

項目案例位于重慶某地老街，為典型的老縣城騎樓，全長約1.2 km，街道平均寬度為5 m。沿街兩邊建有中西合璧式二層騎樓，樓上為住房，樓下經(jīng)商，設有當鋪、書局、中西藥房以及教堂等，全縣最有名的商鋪、當鋪、銀行皆集中于此，有“民國一條街”之稱。

1.2 技術(shù)路線

為了對老縣城騎樓進行更新改造規(guī)劃設計，前期需獲取街區(qū)平面圖和建筑立面圖。測繪難點在于歷史建筑街區(qū)狹窄，商業(yè)廣告位位置雜亂隨意、形式各異，外立面中房屋老舊且立面風格不統(tǒng)一，沿街電線桿雜亂，電線桿排列密集，電線分布雜亂無章等。傳統(tǒng)測繪方法難以實施，本文提出基于先進三維激光掃描與傾斜攝影技術(shù)的綜合測繪方案，基本思路：采用低空無人機傾斜攝影方法，采集街區(qū)頂部與上部分側(cè)面信息，地面街區(qū)底層采用視覺跟蹤的三維激光掃描技術(shù)，將空中傾斜攝影與地面激光掃描數(shù)據(jù)相融合，從而獲取滿足街區(qū)測繪的完整三維空間數(shù)據(jù)。

2.技術(shù)方法

2.1 激光掃描及處理

三維激光掃描技術(shù)被稱為“實景復制技術(shù)”，具有高精度、高密度點云的優(yōu)勢。采用三維激光掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)的采集、處理，對外業(yè)獲取的點云進行拼接是重要的工作環(huán)節(jié)，拼接效率及精度直接影響后續(xù)點云成果的應用。在狹窄街區(qū)進行激光掃描，掃描空間受限，每個測站掃描的范圍小。在傳統(tǒng)三維激光掃描儀作業(yè)方式中，外業(yè)每站需對中、整平，布設標靶或控制點，內(nèi)業(yè)需要進行配準、拼接、優(yōu)化等，現(xiàn)場情況越復雜，外業(yè)架站數(shù)越多，拼接所需時間越多，誤差累計越大。本文采用Trimble X7三維激光掃描儀對歷史街區(qū)進行三維激光掃描。

2.1.1三維激光掃描儀設備介紹

Trimble X7激光掃描儀具有超高速的點云和影像掃描效率，無需對中、整平，擺放穩(wěn)定即可，單站掃描時間短，有影像時約2.5 min，無影像時約1.5 min，即掃即走，減少外業(yè)等待時間；測角精度為21"，測距精度2 mm，測程0.6～80 m，測距噪聲＜2 mm@30 m，提供高質(zhì)量、高密集點云，實現(xiàn)高精細掃描，滿足高精度的測繪要求；具有3個同軸相機，每個相機像素達1 000萬，1 min拍攝15張高清影像；通過內(nèi)置視覺追蹤相機和IMU實時計算兩個連續(xù)站點間的相對位置，提供精確點云拼接，現(xiàn)場作業(yè)無需布設標靶或公共點，現(xiàn)場掃描過程中實時完成相鄰測站點云拼接。

2.1.2外業(yè)三維激光掃描

圖1街區(qū)三維激光掃描彩色點云數(shù)據(jù)

利用三維激光掃描儀掃描街區(qū)沿街建筑立面數(shù)據(jù)之前，需要進行現(xiàn)場勘察，制定掃描工作方案。街道狹窄，從街道一頭往另一頭逐站掃描，掃描過程中實時拼接，拼接精度控制在2 mm以內(nèi)。外業(yè)檢查數(shù)據(jù)完整性，如有缺失，現(xiàn)場補測。本試驗街區(qū)長度為1.2 km，共架設141個測站，數(shù)據(jù)量約26 GB，耗時約564 min?；谕鈽I(yè)掃描點云坐標系相對坐標，沿街利用GDCORS測設10個地面控制點用于坐標配準，將掃描拼接好的點云數(shù)據(jù)導入Trimble RealWorks，采用全局優(yōu)化配準算法實現(xiàn)整體點云的高精度配準和坐標統(tǒng)一。街區(qū)三維激光掃描點云數(shù)據(jù)效果如圖1所示。

由圖1可知：激光掃描點云密度高，掃描細節(jié)表現(xiàn)較佳，街區(qū)底部掃描完整，但建筑側(cè)面和頂部點云缺失較多。同時，在街區(qū)掃描過程中，存在車輛、行人等因素的干擾，出現(xiàn)較多的噪聲點，需要進行去噪處理。

2.2 傾斜攝影及建模

傾斜攝影通過在同一飛行平臺上搭載多鏡頭傳感器，按一定間距同時觸發(fā)曝光，同時拍攝垂直、前、后、左、右不同角度影像，呈現(xiàn)建筑豐富的影像信息。試驗區(qū)頂部和上半部分側(cè)面信息主要通過傾斜攝影方式獲取，采用大疆M 300搭載睿鉑五鏡頭，沿街區(qū)走向進行傾斜攝影，設置航向重疊度80%，旁向重疊度60%。借助傾斜影像處理軟件Context Capture Center，導入傾斜攝影數(shù)據(jù)和地面像控點進行空三處理，再進行分塊建模。建模完成后，輸出密集點云，與三維激光掃描點云數(shù)據(jù)進行融合。街區(qū)傾斜攝影三維建模的局部效果如圖2所示。

圖2傾斜攝影三維建模效果圖及對局部放大圖

由圖2可知：傾斜攝影三維建?？梢郧逦孬@取街區(qū)建筑頂部和上半部分信息，缺點在于底部模型出現(xiàn)拉花、漏洞等現(xiàn)象。

2.3 激光點云與影像點云融合

三維激光掃描和傾斜攝影在街區(qū)建筑信息獲取方面有互補效果：三維激光掃描獲取底部數(shù)據(jù)，而傾斜攝影主要獲取頂部和上半部分信息。為滿足街區(qū)測繪的數(shù)據(jù)完整性要求，將激光點云數(shù)據(jù)和傾斜攝影點云數(shù)據(jù)進行融合，以便得到街區(qū)建筑全方位、完整的點云數(shù)據(jù)。

在生成影像點云過程中利用地面像控點能生成高精度的絕對坐標，而激光點云是相對坐標，因此，必須將激光點云配準到影像點云，實現(xiàn)坐標統(tǒng)一。

坐標統(tǒng)一過程通常分兩步：先由公共點（3個以上）坐標解算轉(zhuǎn)換參數(shù)，再由轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換非公共點。轉(zhuǎn)換參數(shù)通常分為旋轉(zhuǎn)、平移和尺度參數(shù)，其中不涉及尺度變換，旋轉(zhuǎn)參數(shù)的確定是坐標轉(zhuǎn)換的核心。

假設源坐標系（激光點云坐標系）為（OA,iA,jA,kA），目標坐標系（影像點云坐標系）為（OB,iB,jB,kB），具體如圖3所示。

圖3兩個不同坐標系轉(zhuǎn)換

采用羅德里格矩陣公式來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，不考慮尺度因子，建立基于羅德里格矩陣的六參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型，轉(zhuǎn)換式如式（1）所示：

引入反對稱矩陣S，如式（2）所示：

式（2）中，a、b、c為獨立參數(shù)，旋轉(zhuǎn)矩陣與反對稱矩陣之間的關(guān)系如式（3）所示：

將式（2）代入式（3），羅德里格旋轉(zhuǎn)矩陣R如式（4）所

根據(jù)n組公共點，可生成n個方程，構(gòu)成平差方程，如式（5）、式（6）所示：

式（5）、式（6）中，A為系數(shù)矩陣；l為常數(shù)項；x=[ΔaΔb ΔcΔTXΔTyΔTz]T為待解算的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

以影像點云為基準點云，將激光點云配準到影像點云，利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進行激光點云和影像點云的融合，并刪除多余數(shù)據(jù)，進行點云簡化處理。利用該方法對其中一棟標志性建筑進行融合處理，融合殘差達0.0033 m，點云的重疊度約43.1%，融合前后的效果對比如圖4所示。

圖4激光點云與模型點云融合效果對比圖

由圖4可知：激光點云在沿街的正面和底部的點云較完整，而模型點云主要是頂部和側(cè)面的點云較完整，將兩種類型的點云數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)點云互補，建筑物的點云數(shù)據(jù)較完整，為后續(xù)建筑立面測繪和平面地形圖測繪提供數(shù)據(jù)保障。

2.4 街區(qū)測繪應用

根據(jù)數(shù)據(jù)處理后的傾斜三維模型、激光點云數(shù)據(jù)及與影像點云融合后的點云數(shù)據(jù)，開展歷史街區(qū)更新改造前期地形圖和沿街建筑立面圖測繪。

對于街區(qū)地形圖測繪，主要利用實景三維測圖軟件DPModeler，使傾斜攝影實景三維模型具有親臨式的場景，實現(xiàn)所見即所得測繪。采集過程中用裸眼3D，無需佩戴立體眼鏡，按照地形圖要素，按一定規(guī)則直接對地物特征輪廓、點狀地物進行矢量采集，并在真三維環(huán)境中完成屋檐改正、樓層判讀、部件等地物要素和地形要素采集。對于小部分遮擋及未能確認屬性等內(nèi)容，可結(jié)合其他點云數(shù)據(jù)綜合判讀。測繪地形圖如圖5所示。

對于沿街建筑立面圖測繪，主要利用AutoCAD軟件采集建筑表面的外貌和外部結(jié)構(gòu)信息、各部分垂直方向高度及外部裝飾造型等，如，房屋主體、陽臺、門、窗、柱子、廣告牌、裝飾欄桿、空調(diào)外機等?？紤]到點云數(shù)據(jù)量大，利用Trimble RealWorks軟件對點云數(shù)據(jù)進行分割，然后導入AutoCAD中進行立面圖繪制。需繪制建筑物3個面，即正視圖、左視圖和右視圖。

圖5街區(qū)地形圖（局部）

3.分析與討論

3.1 效果分析

從上述三維激光點云、傾斜攝影建模及兩者融合效果分析可知，利用地面三維激光掃描單一數(shù)據(jù)源時，點云表達紋理清晰、反差適中、顏色飽和、色彩鮮明、色調(diào)一致，可清晰構(gòu)建街區(qū)建筑頂部門面和正面信息，空曠區(qū)還可掃描建筑側(cè)面信息。掃描過程中街道狹窄，建筑本身遮擋嚴重，導致建筑上半部分三維點云缺失嚴重。利用傾斜攝影三維建模方法，模型基本成型，建筑頂部和側(cè)面基本可用于測繪，但在街區(qū)狹窄區(qū)域，尤其容易存在拍攝盲區(qū)，導致街區(qū)底層門面、凹部區(qū)域模型拉花或漏洞。以上兩種方法具有較強的互補性，鑒于此，提出將三維激光掃描點云與傾斜三維模型點云相融合，使街區(qū)模型更完整、更美觀，精度更高，以滿足街區(qū)建筑的平面和立面測繪。

3.2 精度分析

為驗證本文提出方法的精度可靠性，對測繪平面圖和立面圖進行外業(yè)檢驗。

平面圖精度檢驗主要用傳統(tǒng)測繪儀器（全站儀）測量模型中房屋角點坐標，并與本文方法測繪同一位置的坐標進行對比。本次檢驗抽取20個點坐標進行精度評估，平面坐標中誤差為±0.058 m，高程中誤差為±0.088 m，具體誤差分布如圖6所示，可知此精度可滿足1∶500地形圖要求。

圖6坐標差值分布圖

立面圖精度檢驗主要選取街區(qū)兩側(cè)的建筑，隨機抽取對象包括建筑尺寸、門、窗、陽臺等部位，用激光測距儀測量其長度，并與本文測繪的長度進行對比分析。精度檢測采用隨機抽樣方法，抽樣50個樣本，最大值為0.04 m，最小值為-0.032 m，邊長中誤差為±0.023 m，具體分布如圖7所示。

圖7%邊長誤差分布圖

由圖7可知：利用三維激光掃描與傾斜攝影相結(jié)合的技術(shù)，基于內(nèi)部高精度數(shù)據(jù)，結(jié)合地面高精度控制點，將兩者進行融合，可實現(xiàn)高精度地形圖和立面圖測繪。

3.3 效率分析

從整個生產(chǎn)過程進行分析，以1人為例，對傳統(tǒng)全站儀測繪方法、全站儀與三維激光掃描結(jié)合方法及本文提出的三維激光掃描與傾斜攝影結(jié)合方法進行對比，分別統(tǒng)計外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及成圖兩個方面的耗時，從而評估三種方法的作業(yè)效率，具體耗時如表1所示。

由表1可知：傳統(tǒng)全站儀測繪方法在街區(qū)狹窄區(qū)域測繪困難，甚至難以測繪。以往多采用全站儀與三維激光掃描結(jié)合的方法，隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，本文提出三維激光掃描與傾斜攝影相結(jié)合的方法，其效率相對于傳統(tǒng)測繪方法可提升4倍以上。

表1不同測繪方法效率分析表 單位：天

4.結(jié)束語

結(jié)合實際工程案例，詳細闡述基于三維激光掃描技術(shù)并結(jié)合傾斜攝影對歷史街區(qū)進行高精度空間數(shù)據(jù)采集工作，將兩者優(yōu)勢互補，進行激光點云與影像點云融合處理，從而實現(xiàn)街區(qū)地形圖和立面圖測繪，為歷史街區(qū)更新改造測繪提供新方法、新思路。本文得出以下結(jié)論：

（1）利用基于視覺跟蹤的三維激光掃描技術(shù)，不需要對中、整平，掃描效率高，點云質(zhì)量好，適合街區(qū)的立面掃描；

（2）利用激光掃描與傾斜攝影相結(jié)合，優(yōu)勢互補，空地一體化，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，可快速獲取街區(qū)完整、全方位的空間數(shù)據(jù)，為街區(qū)更新改造提供數(shù)據(jù)支撐；

（3）把激光掃描和傾斜建模高精度、自動化等特性，本文方法具有高效性和準確性，地形圖和立面圖的精度高，滿足街區(qū)文化保護和更新改造要求；

（4）與傳統(tǒng)測繪方法相比，數(shù)據(jù)成果更直觀，內(nèi)業(yè)可反復檢查與存檔，避免測量過程中細節(jié)遺漏、返回補測等情況。