鮑 國 張書畢 陳 強 鄭有雷 陳 春

(1.空軍勤務學院,江蘇 徐州 221000;2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;3.兗礦能源集團股份有限公司濟寧三號煤礦,山東 濟寧 272169)

隨著“實景三維中國”以及智慧礦山等建設的不斷推進,對承載數字化建設基礎數據的三維模型精細化程度提出了更高要求。近年來,測繪科學技術得到了快速發(fā)展,不少三維重建數據方式不斷涌現,主要有航空航天影像、無人機傾斜攝影測量(Oblique Photogrammetry,OP)、地面三維激光掃描測量(Light Detection and Ranging,LiDAR)、機載 LiDAR 等[1-6]。其中,三維激光掃描技術又被稱為“實景復制技術”,是測繪領域繼 GNSS 后又一顛覆性的技術革命[7-12]。與傳統(tǒng)應用單點測量方式的經緯儀、全站儀相比,基于三維激光掃描技術的數據采集方式具有精度高、效率高、數據密度高等特點,突破了單次采集數據量少的局限性,能有效解決三維空間信息數字化方面的難題[13-19]。因此,研究基于地面LiDAR的建筑物精細化三維重建技術,并將其應用于礦區(qū)重要建筑物保護、礦山地質災害監(jiān)測具有重要意義。

近年來,業(yè)內學者在建筑物建模方面進行了卓有成效的研究并取得了豐碩成果。盧秀山等[5]提出了一種基于三維激光點云的建筑物立面分割方法,取得了較好效果;王永波等[7]提出了一種LiDAR 點云無初值配準方法,解決了大轉角相似變換參數時的算法不穩(wěn)定問題;林卉等[8]研究了三維激光掃描建筑物立面數據自動提取方法,提高了工作效率。上述方法在一般建筑物三維建模方面取得了較好的應用效果,但是對于結構較為復雜的建筑物,其建模精度有待進一步提升。本研究針對復雜建筑物精細化三維重建過程中存在的內部紋理不清晰、模型精度不高等問題,采用全站儀測量高精度標靶點作為地面 LiDAR點云的控制點,開展地面三維激光掃描測量技術在建模精度、細部紋理、模型完整性等方面的研究。以江蘇某仿古建筑為研究對象,構建高精度的實景三維模型,并驗證其精度。

1 研究區(qū)與數據集概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇徐州某高校校區(qū),研究對象為仿古建筑物,如圖1所示。作為仿古建筑有著傳統(tǒng)古建筑的共性特點,如精美的斗拱、飛檐、房頂等結構,左右兩端另有兩條對稱的廊道和內部的穿斗式結構,可作為同類建筑物的代表來研究。建筑物的斗拱、房檐、廊檐等構件結構復雜、畫飾精細,對精細化三維重建的要求較高。研究區(qū)周圍有高層建筑物、公路和一定數量的電網電線,日常人流量較大,且西北一側有樹木遮擋,測況較為復雜,符合復雜建筑物三維重建的一般場景要求。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源

1.2.1 控制點數據

控制點數據主要指測區(qū)標靶點三維坐標,由于地面三維激光掃描儀工作時,受目標物復雜性以及掃描儀觀測條件限制,無法一次獲取全部數據,因此需要將多站的掃描數據整合在一起,進行點云拼接。為了提高點云拼接精度,需要獲取高精度的標靶點三維坐標,故本研究采用全站儀導線測量方法采集了地面標靶點坐標(圖2)。為了驗證點云的絕對精度,在建筑物上布設了標靶紙,控制點坐標數據見表1。

表1 控制點坐標數據Table 1 Coordinates data of control pointsm

圖2 控制點測量Fig.2 Control point measurement

1.2.2 地面LiDAR 數據采集

采用FARO S150地面三維激光掃描儀,獲取測區(qū)建筑物的掃描點云數據。由于測區(qū)建筑物結構較為復雜,主建筑柱子較多、廊道轉角較多、房檐和廊檐內外紋理都比較細膩,廊道內穿斗式結構造成遮擋,為保證通視和實現精細化建模,架站距離約為5 m,開闊地區(qū)則每10 m 間隔設站。鑒于對建筑物精細化建模的需要,使用室內外相結合的配置方案,建筑物內外部掃描分辨率分別為1/5 和1/4,掃描時間為8～10 min。開啟彩色掃描模式,獲取高分辨率全景影像,用于后期處理點云著色。掃描作業(yè)時記錄各測站的位置,為補測提供依據。從外向內進行激光掃描測量工作,如圖3所示。

圖3 三維激光掃描測量現場Fig.3 3D laser scanning measurement site

2 研究方法

本研究主要基于全站儀導線法測量獲取高精度坐標作為控制點,利用地面LiDAR 數據經過去噪處理、點云著色、多點點云拼接及坐標轉換等處理,得到三維點云數據;然后在ContextCapture Center 軟件中實現三維實景模型構建;最后對三維模型進行精度分析,技術路線如圖4所示。

圖4 基于地面LiDAR 的三維重建技術流程Fig.4 Technical process of 3D reconstruction based on Ground LiDAR

2.1 點云數據預處理

點云數據預處理主要是進行去噪和點云著色。外業(yè)掃描工作時,由于受到環(huán)境干擾,掃描儀會采集到大量的無關點云,該類點云不僅會增大數據量,還會對后期點云使用產生影響,因此需要進行去噪工作。對于有序點云數據,可采用平滑濾波方式處理,常見濾波方式有高斯濾波、中值濾波、平均濾波等[10];對于無序點云數據,可通過雙邊濾波算法、拉普拉斯濾波等進行處理。本研究采用高斯濾波進行去噪,其閾值參數設置為:柵格尺寸為3 像素,距離閾值為0.02 m,去噪效果如圖5所示。由圖5 可知:該方法可以有效過濾離群點,同時較好地保持數據原貌。由于掃描儀采集的點云只有灰度信息,為了構建實景三維模型,利用全景影像對點云賦予彩色,即點云著色。

圖5 建筑物局部點云去噪前后效果對比Fig.5 Comparison of the effects before and after denoising of local point clouds in buildings

2.2 點云數據處理

多站點云拼接后得到一個整體點云,但仍然是基于掃描的相對坐標系,為將點云納入絕對大地坐標系,還需要對點云進行坐標轉換。利用外業(yè)實測的棋盤紙坐標,在軟件中通過選取“控制點與點云位置的關聯”功能,即可完成坐標轉換。坐標轉換公式為

式中,(X,Y,Z)為大地坐標系坐標;(x,y,z)為掃描儀坐標系坐標;R為旋轉矩陣,(α,β,γ)為兩個坐標軸系的3 個旋轉角;(Δx,Δy,Δz)為坐標原點的平移量。

2.3 實景三維模型精度分析

采用全站儀在測區(qū)采集檢查點獲得實測坐標,在建筑物的傾斜攝影測量三維模型上量測相應點位的坐標,計算二者三維坐標的差值ΔXi、ΔYi和ΔZi,依次計算X、Y方向中誤差(mX、mY)以及平面中誤差(mXY),并進一步計算出高程中誤差(mZ)。相關計算公式為

式中,n為檢查點的個數;ΔXi、ΔYi和ΔZi分別為檢查點的實測坐標和模型量測坐標的差值。

3 試驗結果與分析

3.1 點云拼接結果

在進行點云拼接時,多個測站的掃描數據都是基于各自的掃描坐標系,將多個測站的掃描數據經過平移、旋轉等位置變換,最后統(tǒng)一到同一坐標系中。拼接方法采用基于標靶和無標靶兩種方法,首先采用無標靶拼接,經檢驗,單站平均掃描距離誤差最大為3.26 mm,符合精度要求;再通過控制點將點云統(tǒng)一到地面測量坐標系。點云整體拼接效果如圖6所示。

圖6 測區(qū)多站掃描點云拼接效果Fig.6 Stitching effect of multi-station scanning point cloud

3.2 幾何結構和紋理精度

本研究分別從模型完整性、有無空洞拉花現象、細部紋理、內部紋理結構等方面進行幾何結構和紋理精度評價?；诘孛鍸iDAR的建筑物精細化三維重建模型的各方面信息如圖7所示。由圖7 可知:在三維模型完整性方面,所提方法在建筑物的中下部、內部區(qū)域重建效果較好,但在頂部信息缺失嚴重,是由于三維激光掃描儀的工作模式所限;在三維模型的空洞拉花方面,該區(qū)域右側有樹木遮擋,但由于三維激光掃描儀可以安全、靈活地選擇架站位置,能夠完全獲取該區(qū)域的信息;本研究三維重建方法在細部處的紋理表達效果較好,且紋理細膩、真實性強、色彩明亮;在內部紋理結構方面,該重建方法對建筑物內部構造較好,基本表達出模型內部的真實情況。

圖7 幾何結構和紋理精度評價Fig.7 Geometric structure and texture accuracy evaluation

3.3 三維模型點位精度分析

采用全站儀在測區(qū)采集檢查點獲得實測坐標,在建筑物基于三維激光點云構建的三維模型上量測相應點位的坐標,計算二者三維坐標的差值ΔXi、ΔYi、ΔZi,同時利用式(2)至式(4))分別計算X、Y方向上中誤差以及平面中誤差,利用式(5)計算高程中誤差。各檢查點的平面及高程誤差統(tǒng)計如圖8所示,各檢查點的實測坐標和模型量測坐標數據以及差值見表2。

表2 基于地面LiDAR的建筑物三維重建精度統(tǒng)計Table 2 Accuracy statistics of building 3D reconstruction based on Ground LiDAR

圖8 三維模型點位誤差統(tǒng)計結果Fig.8 Statistical results of point error of 3D model

結合表2 計算可知:X、Y方向中誤差為±0.92、±0.60 cm,平面中誤差為±1.10 cm,X、Y方向最大差值為1.36 cm,高程中誤差為0.77 cm;從三維模型位置精度看,該重建方法的建模精度達到了亞厘米級。

綜上所述,基于地面LiDAR的建筑物三維重建可實現亞厘米級精度,對建筑物中下部以及內部信息表達效果較好,可以還原出建筑物的實際場景,但對于建筑物頂部、上部,受限于地面三維激光掃描儀的作業(yè)模式,該重建方法對頂部信息的采集存在很大局限性,導致三維模型無法完整地表達出建筑物的全部信息。

4 結論

以較為復雜的建筑物為例,提出了基于地面Li-DAR 的三維重建方法。經過外業(yè)激光掃描、點云數據處理、三維重建等過程,實現了建筑物實景三維模型構建,并進行了三維建模質量評價。所得結論如下:

(1)所建模型對建筑物中下部以及內部信息表達效果較好,可以還原出建筑物的實際場景。

(2)建筑物三維模型精度為:X、Y方向中誤差分別為±0.92 cm、±0.60 cm,平面中誤差為±1.10 cm,X、Y方向最大差值為1.36 cm。

(3)基于地面 LiDAR的建筑物三維重建方法構建的三維模型幾何精度較高,可以用于礦區(qū)重要建筑物保護、礦山地質災害監(jiān)測等領域。考慮到建筑物頂部、上部區(qū)域的數據獲取較困難,融合無人機傾斜攝影測量技術用于建筑物精細建模是一個值得研究的方向。