鄭國強(qiáng)，方 正，劉耀輝

(山東建筑大學(xué),山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

中國古建筑是中國傳統(tǒng)文化最瑰麗的珍寶,具有濃厚的文化意義和重要的歷史地位,但大部分古建筑由于各種原因遭到不同程度的破壞,因此對古建筑的保護(hù)變得十分重要[1],而傳統(tǒng)的測繪手段極易造成二次傷害,其復(fù)原效果差且局限性較大;三維激光掃描技術(shù)則是近年來推出的一款新型測繪技術(shù),因其適用性強(qiáng)、效率高、非接觸性、激光高穿透性等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞,但其頂部點(diǎn)云質(zhì)量較差;傾斜攝影技術(shù)是利用無人機(jī)攜帶五鏡頭傳感器進(jìn)行航空攝影測量作業(yè),在地面布設(shè)控制點(diǎn),通過航測參數(shù)的選取實現(xiàn)成果高精度,并快速生成被測區(qū)域地面的完整實景三維信息,但其底部模型易受樹木等地物因素影響;本文以山東建筑大學(xué)移建的中國電影院牌樓為例(如圖1所示),原位于濟(jì)南市經(jīng)四路1號,為保存濟(jì)南城市記憶和歷史建筑的符號,2009年加固研究所將中國電影院主入口處完整保留并移至山東建筑大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了重建,再現(xiàn)了古代建筑風(fēng)格,對研究和保護(hù)古建筑具有重要意義。

1 技術(shù)原理及總體技術(shù)路線

三維激光掃描儀是采用三角激光測距原理,通過光源孔發(fā)出的激光光束通過不同角度的平面鏡反射而成的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法具有速度快[2]、精度高、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),真實有效的再現(xiàn)三維可視化模型,被廣泛應(yīng)用于古文物數(shù)字保護(hù)、工民建基礎(chǔ)建設(shè)、農(nóng)業(yè)地形測量、數(shù)字城市地形可視化等。

無人機(jī)傾斜攝影(又稱三維建模技術(shù))的原理是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器同時從多角度采集地面影像,配合控制點(diǎn)或影像POS信息,從而快速獲取更為詳細(xì)的地面物體的相關(guān)信息[3]。

BIM技術(shù):BIM是“Building Information Modeling”的縮寫,中文譯為“建筑信息模型”。該技術(shù)通過數(shù)字化信息化手段在計算機(jī)中建立出一個虛擬建筑,該虛擬建筑會提供包含邏輯關(guān)系的建筑信息庫[4]。此信息不僅僅集成了建筑設(shè)施的參數(shù)化信息,還包含大量的非幾何信息,涵蓋了建筑物從策劃、設(shè)計施工到運(yùn)維及后期維護(hù)的全生命周期,如材料的功能信息、構(gòu)件的物理信息等等。其本質(zhì)就是一個包含建筑所有信息構(gòu)建的共享數(shù)據(jù)庫,對建筑信息模型和多樣化應(yīng)用有特殊意義,此外BIM技術(shù)能夠結(jié)合現(xiàn)有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模構(gòu)造虛擬三維。

總體技術(shù)路線如圖2所示。

2 研究實施過程

2.1 無人機(jī)傾斜攝影

采用大疆精靈4 pro rtk無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)對測區(qū)進(jìn)行航拍,云臺角度控制精度為±0.02°,飛行作業(yè)步驟如下:

1)將無人機(jī)按規(guī)定步驟組裝,并開機(jī)。2)連接網(wǎng)絡(luò),可以通過插入手機(jī)卡或連接WIFI方式連接網(wǎng)絡(luò)。3)設(shè)置飛控參數(shù),如返航點(diǎn)設(shè)置、返航高度、新手模式等。4)規(guī)劃無人機(jī)飛行航線,航線規(guī)劃包括無人機(jī)飛行的方向、飛行的范圍、飛行的高度、飛行的速度、設(shè)置航線的航向重疊度和旁向重疊度等等要素。5)開始無人機(jī)作業(yè),作業(yè)時需要對無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時關(guān)注。

作業(yè)共拍攝1 380張相片。

2.2 地面三維激光掃描

采用S350faro掃描儀進(jìn)行采集數(shù)據(jù)作業(yè),儀器具有易攜、可操作性強(qiáng)、采樣快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。三維激光掃描儀掃描物體時應(yīng)遵守的兩個原則為高精度和高效率[5],在掃描建筑物前應(yīng)布置測站,本例中牌樓東南西三面靠近樹木,掃描空間狹小且周圍行人較多,因此僅在東西南北四個角落進(jìn)行布站,具體內(nèi)容如下:

1)現(xiàn)場踏勘。規(guī)劃架站路線以及靶球放置位置。2)放置儀器。先將三腳架放平,然后將儀器安全取出固定在三腳架上并開機(jī)。3)開機(jī)后建立工程文件,確定掃描數(shù)據(jù)存儲位置,調(diào)節(jié)參數(shù)如分辨率、質(zhì)量、彩色、環(huán)境等,然后調(diào)節(jié)傾角儀。4)將靶球放置在選定的位置且與掃描中心距離不超過20 m。5)按照規(guī)劃的架站路線開始順序掃描,期間注意儀器穩(wěn)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 掃描儀數(shù)據(jù)處理

外業(yè)采集作業(yè)結(jié)束后,取出儀器內(nèi)的儲存卡將數(shù)據(jù)完整導(dǎo)入至筆記本電腦中,檢查數(shù)據(jù)和站點(diǎn)是否有遺漏和缺失,并且要相互對應(yīng)。本文使用FARO SCENE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云拼接配準(zhǔn)等工作。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理:點(diǎn)云的預(yù)處理包括拼接配準(zhǔn)、去噪、上色等,首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤備份,打開Scene將掃描數(shù)據(jù)拖到軟件里面,另存數(shù)據(jù)到指定文件夾(儲存路徑和文件命名不出現(xiàn)中文)。

數(shù)據(jù)的拼接:選定一個參考站,作為拼接的基準(zhǔn);用工具欄中的標(biāo)記注冊球體命令給本站數(shù)據(jù)中的參考球一一命名。命名原則為一個位置的參考球?qū)?yīng)一個標(biāo)記名,不能有重復(fù)標(biāo)記的情況出現(xiàn)。在workspace中點(diǎn)當(dāng)前站前面的“+”號單擊打開,然后雙擊命名好的參考球,在彈出的對話框中,將常規(guī)里的選項全部選為第二項,以后每站都進(jìn)行相應(yīng)操作;打開相鄰的站,將站內(nèi)的球一一命名,和上一站位置相同的同一個參考球命名要一致,依次加載每個掃描站,命名每個掃描站內(nèi)的參考球使不同站內(nèi)的相同位置的同一個參考球命名唯一,且一一對應(yīng);參考球命名完成后,在scan上右鍵選擇,在彈出的菜單里,選擇布置參考掃描使場景完成最終拼接,完成注冊參考掃描后會彈出一個對話框,在掃描結(jié)果里可以檢查拼接精度和錯誤;選中沒加載的掃描站,右鍵,在彈出的菜單里選已加載,將掃描數(shù)據(jù)加載然后再scans上右鍵,在彈出的菜單里選擇三維視圖,在三維點(diǎn)云視圖里對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,對一些不影響模型效果的噪點(diǎn)進(jìn)行分割刪除,去除被測區(qū)等范圍外的點(diǎn)云,對處理好后的三維點(diǎn)云模型進(jìn)行裁切,在裁切前首先確定模型所在坐標(biāo)是否已經(jīng)校正,在點(diǎn)云三維模型上建立正交坐標(biāo)系,將三維點(diǎn)云模型進(jìn)行切片,切片要盡量的薄,并且要盡可能的經(jīng)過大部分構(gòu)件,主要按照東西南北四個立面、頂面、平面、結(jié)構(gòu)剖面等分別進(jìn)行裁剪,形成相應(yīng)的裁切后點(diǎn)云數(shù)據(jù)并導(dǎo)出至CAD中,利用BIM技術(shù)建模繪制使用。

在scans上右鍵單擊在彈出的菜單里選擇應(yīng)用圖片即可賦予點(diǎn)云色彩;將點(diǎn)云中的牌樓和大地分割,導(dǎo)出成單獨(dú)的文件,根據(jù)前期測繪時制作的站點(diǎn)布置圖,將相關(guān)建筑的掃描站加載,然后用選擇工具將三維視圖中相關(guān)建筑選上,在第一個站內(nèi)選完后在選區(qū)上右鍵單擊,在彈出的菜單中選擇三維視圖將會新建一個選中點(diǎn)云的三維視圖,其余站選完后復(fù)制,切換到前面新建的那個點(diǎn)云三維視圖,右鍵單擊,在彈出菜單內(nèi)選擇添加掃描點(diǎn)命令就可將別的站內(nèi)選中點(diǎn)云添加到里面。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接原理是同名點(diǎn)坐標(biāo)間的一一對應(yīng)匹配,通過站點(diǎn)配準(zhǔn)將掃描的各不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云整合到同一個坐標(biāo)體系中,通過文獻(xiàn)[6]提出的ICP(迭代最近點(diǎn))算法對各站點(diǎn)云進(jìn)行精確拼接達(dá)到收斂精度,該算法原理是通過一個誤差函數(shù)反映點(diǎn)云重合區(qū)域的重復(fù)程度,利用最小二乘法迭代計算最優(yōu)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換匹配,以達(dá)到誤差函數(shù)值最小化,從而實現(xiàn)精準(zhǔn)拼接。

ICP算法基本原理如下,已知兩個待配準(zhǔn)點(diǎn)云P和Q,點(diǎn)云P中的點(diǎn)pi從點(diǎn)云Q中查找距離pi歐氏距離最短的點(diǎn)qi,并以pi和qi作為對應(yīng)點(diǎn)對獲取變換矩陣,剔除一些距離較遠(yuǎn)點(diǎn)對,通過不斷迭代運(yùn)算,極小化誤差函數(shù),最終得到最優(yōu)變換矩陣,使兩點(diǎn)云重合[7]。

(1)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪與精簡:

噪聲點(diǎn)即掃描過程中獲取的非目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。噪點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要有儀器本身存在系統(tǒng)誤差、掃描工作過程中不可控物體如飛鳥、車輛等進(jìn)入掃描范圍內(nèi);對拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行降噪處理可有效解決點(diǎn)云精度不高的問題。本研究主要使用平滑算法去噪[8],大體思路如下:

1)假使研究鄰域大小為N,而距離閾值設(shè)置為D。

2)獲取當(dāng)前點(diǎn)P(X,Y,Z)周圍鄰域N范圍內(nèi)所有三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo),計算領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)I(x,y,z)到當(dāng)前點(diǎn)P的距離值d,計算公式如下:

(2)

3)比較d和D的大小,若dD,則比較下一鄰域點(diǎn)。

4)所有鄰域點(diǎn)完成后可得有效個數(shù)m,此時計算所有的有效鄰域點(diǎn)的坐標(biāo)和從而計算平均坐標(biāo),并將其賦給點(diǎn)P,計算公式如下:

(3)

5)計算點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個點(diǎn)P并重復(fù)上述1)—4)的操作,最終完成去噪處理(見圖3)。

2.3.2 航拍照片數(shù)據(jù)模型生成

航拍照片數(shù)據(jù)處理通過ContextCapture軟件進(jìn)行處理,此款軟件源代碼面向大眾開放且支持多類型操作平臺使用(如Windows,Mac,Linux等),支持常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式及對點(diǎn)云進(jìn)行一些簡單的處理。

1)建立空三工程。將航拍照片導(dǎo)入軟件,設(shè)置相機(jī)參數(shù)。2)導(dǎo)入POS文件,導(dǎo)入控制點(diǎn),并標(biāo)記畫面清楚、無遮擋的控制點(diǎn)照片。3)進(jìn)行空中三角測量運(yùn)算。4)標(biāo)記全部控制點(diǎn)。根據(jù)控制點(diǎn)編輯器的推薦功能將位置清晰明顯的控制點(diǎn)標(biāo)記。5)新建重建項目。重新建立項目后,在空間框架內(nèi)選擇正確的坐標(biāo)系,在切塊處選擇規(guī)則平面格網(wǎng)切塊或規(guī)則立體切塊,調(diào)整瓦片大小,使得重建需要的內(nèi)存空間小于電腦內(nèi)存。6)編輯感興趣區(qū)域?？梢跃庉嫺信d趣區(qū)域,減少重建范圍,節(jié)省時間。7)提交新的生產(chǎn)項目。8)生產(chǎn)項目定義,建立重構(gòu)目標(biāo),可以重建三維網(wǎng)格、點(diǎn)云、DOM和DSM,生成DOM及DSM。

2.4 數(shù)字化保護(hù)

在古建筑數(shù)字化保護(hù)及后期展示工作中,彰顯文物細(xì)節(jié)樣式和風(fēng)格迥異是很有必要的[9],而重建其三維模型則是目前最高效的方法之一。本文用AUTODESK公司的REVIT軟件進(jìn)行古建筑三維模型重建[10]。

首先根據(jù)點(diǎn)云裁圖建立BIM模型,生成平、立、剖面圖,選擇合適的位置建立標(biāo)高與軸網(wǎng),方便構(gòu)件定位;根據(jù)三維量測數(shù)據(jù),建立規(guī)則形狀構(gòu)件,如臺階、墻、額枋等并建立族庫(見圖4);據(jù)輪廓圖,創(chuàng)建常規(guī)模型并參數(shù)化,如額枋、木連廊等并賦予真實材質(zhì)[11]。

3 結(jié)語

本文以山東建筑大學(xué)牌樓為研究對象,闡述了基于三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影和BIM技術(shù)對古建筑的數(shù)字化保護(hù)復(fù)原和建立數(shù)字檔案具有舉足輕重的作用,且工作效率和優(yōu)越性是傳統(tǒng)測量工具及單一測繪方法難以企及的。通過應(yīng)用實踐表明:

1)融合三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、BIM技術(shù)實現(xiàn)了對牌樓等古建筑無死角全覆蓋的測繪和數(shù)字化保護(hù)。

2)在研究古建筑數(shù)字化保護(hù)中,不僅囊括了CAD的二維圖型,也包含了三維點(diǎn)云矢量圖,三維模型更真實更逼真,讓古建筑活靈活現(xiàn)出現(xiàn)在人們的眼中。

3)通過三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量與構(gòu)筑物的體積大小成正比,因此計算機(jī)的高性能及較強(qiáng)的處理能力是必須要考慮的。