師 倩, 阮國(guó)杰

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院, 甘肅 天水 741020)

目前公共建筑物保護(hù)工作的重要性已在世界各國(guó)達(dá)成共識(shí),針對(duì)公共建筑物保護(hù)的相關(guān)課題及研究愈發(fā)受到人們關(guān)注,先進(jìn)的跨學(xué)科技術(shù)正持續(xù)被運(yùn)用到公共建筑物保護(hù)領(lǐng)域中[1]。隨著科技發(fā)展,時(shí)代進(jìn)步,公共建筑物保護(hù)已經(jīng)邁入三維數(shù)字化信息時(shí)代。數(shù)字中國(guó)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧城市等越來(lái)越多的數(shù)字化、信息化專業(yè)名詞開(kāi)始逐漸融入工程實(shí)踐中,如,3D打印技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字化博物館等。人們可以更加方便,甚至足不出戶就可以在手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備上三維立體瀏覽館藏珍貴文物。對(duì)公共建筑物實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)繪、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和智能管理,能有效降低其在自然災(zāi)害、氣候環(huán)境變化、戰(zhàn)爭(zhēng)等多種不利因素下產(chǎn)生的損失。由于一些公共建筑物的不可再生性,需要在避免二次傷害的前提下,完整獲取測(cè)繪數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)其三維信息的提取[2]。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展,目前三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候?qū)Ω鞣N復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行全方位掃描,打破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)繪的技術(shù)瓶頸,可快速實(shí)現(xiàn)三維面狀數(shù)據(jù)的采集與處理。三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域在全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)技術(shù)之后的又一次變革,主要是采用高速激光掃描測(cè)量的方法,運(yùn)用激光測(cè)距原理,記錄被測(cè)目標(biāo)表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息,從而快速構(gòu)建目標(biāo)物體的三維模型[3]。三維激光掃描系統(tǒng)主要包括激光掃描儀、電源供應(yīng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及配套軟件。三維激光掃描儀作為該系統(tǒng)的主體部分,通常包括激光測(cè)距部件、激光掃描部件、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。該技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,具有非接觸、高效的特點(diǎn)。

有較多研究人員使用三維激光技術(shù)提取建筑物的輪廓信息,但是容易受到周圍環(huán)境的影響[4],導(dǎo)致常規(guī)方法進(jìn)行公共建筑物三維信息提取時(shí)易出現(xiàn)信息提取誤差較大的情況,降低了三維信息提取的準(zhǔn)確性。

Canny算子具有三維可視化程度高、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存兼容性好以及信息整合能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將三維激光掃描技術(shù)與Canny算子算法的結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)云數(shù)據(jù)到三維數(shù)字化信息管理的高效轉(zhuǎn)化。

因此,為了解決現(xiàn)有應(yīng)用激光技術(shù)提取建筑物輪廓信息方法存在的不足,在公共建筑物三維信息提取方法中融入激光測(cè)距與Canny算子,對(duì)公共建筑物三維信息提取方法展開(kāi)研究。

1 工程概況

以甘肅省天水市秦州區(qū)中城街道一辦公建筑為研究對(duì)象,探討三維激光掃描技術(shù)在該公共建筑物測(cè)繪工作中的應(yīng)用,進(jìn)一步闡述三維激光掃描技術(shù)生成的激光測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)三維信息提取方面的重大意義和價(jià)值。該公共建筑物經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的人為和環(huán)境等不利因素影響,產(chǎn)生諸多病害。其保存現(xiàn)狀如下:建筑面積大,經(jīng)測(cè)量該建筑高度為18.5 m,最大寬度約12 m;建筑四周存在眾多小建筑。傳統(tǒng)的測(cè)量方法顯然不能滿足對(duì)建筑物內(nèi)三維信息的測(cè)繪和保護(hù)需求,所以采用精度更高、掃描距離更遠(yuǎn)、非接觸的三維激光掃描技術(shù)來(lái)完成完整掃描。

2 公共建筑物三維信息提取方法設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理

外業(yè)的數(shù)據(jù)獲取是后續(xù)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ),按要求獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù),不僅可減少數(shù)據(jù)處理的工作量,而且能夠提高公共建筑物三維建模的精度。因此要準(zhǔn)確按照以下掃描步驟進(jìn)行。展開(kāi)支架,架設(shè)掃描儀:為了確保數(shù)據(jù)精度,在掃描前要注意將掃描儀支架架設(shè)穩(wěn)定,同時(shí)調(diào)整支架直至水平[5]。雖然掃描情況復(fù)雜,但特征線和特征點(diǎn)較多且掃描站點(diǎn)位置設(shè)置合理,因此掃描不進(jìn)行標(biāo)靶布設(shè)(標(biāo)靶的作用就是提供明顯、易識(shí)別的公共點(diǎn),進(jìn)行多站點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,特征線、特征點(diǎn)可達(dá)到要求)。掃描儀定位:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘報(bào)告確定最佳掃描位置,布設(shè)掃描儀,確保每次掃描的重疊度在合理范圍內(nèi)。掃描范圍應(yīng)包含多個(gè)特征區(qū)域,從而幫助點(diǎn)云拼接。面對(duì)樹(shù)木或柱形物等大型障礙物通常需要調(diào)整測(cè)站點(diǎn)位置,以確保掃描對(duì)象在掃描范圍內(nèi)。設(shè)置參數(shù):每次掃描作業(yè)均要重新設(shè)置掃描距離和點(diǎn)間距。掃描分辨率每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)是指掃描儀物理器件所具有的真實(shí)分辨率。根據(jù)項(xiàng)目要求的掃描精度,從掃描儀到被測(cè)物體的距離來(lái)選擇合理的分辨率。按照大型室內(nèi)空間進(jìn)行分辨率的設(shè)置,同時(shí)按照室內(nèi)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置測(cè)量次數(shù)(重復(fù)掃描3次),以提高掃描精度[6]。掃描時(shí)打開(kāi)顏色傳感器,使獲取的點(diǎn)云模型更加真實(shí)。開(kāi)展掃描:完成好掃描參數(shù)設(shè)置,掃描儀就開(kāi)始自動(dòng)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描,獲取所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。每個(gè)站點(diǎn)完成掃描后,按照同樣參數(shù)設(shè)置,搬到下個(gè)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。獲取掃描照片:掃描完成后,使用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)對(duì)建筑物表面進(jìn)行正射測(cè)量,并記錄每張照片的位置,以便建立模型與所采集影像在空間中的匹配關(guān)系。

獲取外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,下一階段便是開(kāi)展對(duì)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。該階段是創(chuàng)建三維模型的重要階段,直接反映建模的精度。通常情況下,在實(shí)際外業(yè)測(cè)量工作中,要想獲得完整的掃描數(shù)據(jù)需要布設(shè)控制網(wǎng),采用多個(gè)測(cè)站點(diǎn)。而掃描儀在每個(gè)測(cè)站點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部坐標(biāo)系,這個(gè)坐標(biāo)系一般以掃描儀為坐標(biāo)原點(diǎn),且每個(gè)局部坐標(biāo)系都是獨(dú)立不相關(guān)的。多站點(diǎn)測(cè)量就會(huì)引發(fā)統(tǒng)一坐標(biāo)系的問(wèn)題,需要將每個(gè)區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)移到整體坐標(biāo)系中,才能得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù),這樣的數(shù)據(jù)拼接過(guò)程叫作點(diǎn)云拼接,也叫點(diǎn)云配準(zhǔn)。點(diǎn)云拼接的實(shí)質(zhì)就是依據(jù)某個(gè)合適的平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換的過(guò)程,即坐標(biāo)矩陣的剛體變換。拼接原理如圖1所示。

圖1 拼接原理

先將局部空間坐標(biāo)系O-XYZ中的原點(diǎn)平移到整體坐標(biāo)系中o-xyz的原點(diǎn)上,再將區(qū)域坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最終與整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸重合。該拼接過(guò)程的轉(zhuǎn)換原理和剛體矩陣為

(1)

2.2 基于激光測(cè)距數(shù)據(jù)獲取建筑物邊緣輪廓信息

在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理后,可以計(jì)算公共建筑物在三維坐標(biāo)系的具體數(shù)值,并根據(jù)上述操作可以進(jìn)行對(duì)公共建筑物邊緣信息的檢測(cè)。其中邊緣是指圖像的灰度區(qū)域發(fā)生不連續(xù)的地方,含有重要且豐富的圖像信息,是圖像最基本的特征[7]。目前有多種邊緣檢測(cè)算法能夠提取邊緣輪廓線,如Canny、Sobel、Prewitt、Log、Roberts等算子。其中,Canny算子已被證明擁有較好的適用性與較高的健壯性,因此采用Carmy算子來(lái)檢測(cè)邊緣信息,如圖2所示。

圖2 CCD圖像上檢測(cè)的邊緣信息

通過(guò)形態(tài)學(xué)標(biāo)記,對(duì)上述檢測(cè)到的邊緣信息二值圖像連通區(qū)域一一標(biāo)記。利用程序語(yǔ)言將連通區(qū)域用最小外接矩形框選,獲取它們外接矩形面積、頂點(diǎn)坐標(biāo)等信息,可以進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)參數(shù)。最小外接矩形( minimum bounding rectangle,MBR)分為最小面積外接矩形(MABR)和最小周長(zhǎng)外接矩形(MPBR),本文中主要利用面積計(jì)算反演裂隙特征參數(shù),所以采用如下方式實(shí)現(xiàn)最小面積外接矩形。

第1步:對(duì)于二值圖像中目標(biāo)進(jìn)行輪廓追蹤,得到一個(gè)外接封閉矩形,并記錄外接矩形面積和4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

第2步:將目標(biāo)外接矩形在90°內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn),每次旋轉(zhuǎn)3°,重復(fù)第1步。

第3步:統(tǒng)計(jì)每次旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的外接矩形面積,通過(guò)對(duì)比選擇目標(biāo)最小面積外接矩形,并記錄其4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

將最小面積外接矩形長(zhǎng)邊作為走向,通過(guò)計(jì)算最小面積外接矩形長(zhǎng)邊頂點(diǎn)坐標(biāo),得到長(zhǎng)邊的水平長(zhǎng)度和垂直長(zhǎng)度,利用式(2)計(jì)算邊緣與水平夾角a,如圖3所示。

圖3 最小面積外接矩形

(2)

式中:α為邊緣與水平夾角;lX、lY分別為MABR的水平長(zhǎng)度和垂直長(zhǎng)度。

在數(shù)字圖像處理中探查邊緣長(zhǎng)度和寬度,計(jì)算結(jié)果是像素?cái)?shù)值[8]。將像素?cái)?shù)值轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸,就必須引入己知現(xiàn)實(shí)尺寸,結(jié)合其像素點(diǎn)數(shù),計(jì)算出單個(gè)像素點(diǎn)的尺寸,進(jìn)而計(jì)算實(shí)際尺寸。提取出邊緣輪廓線后,通過(guò)三維點(diǎn)云的實(shí)際邊界框尺寸,結(jié)合二維深度圖的行數(shù)和列數(shù),通過(guò)計(jì)算獲得每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸。為了避免誤差,取X方向和Y方向計(jì)算結(jié)果的平均值,如圖4和式(3)所示。

(3)

式中:d為每個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際尺寸。

通過(guò)以上操作可以得到由激光測(cè)距數(shù)據(jù)像素點(diǎn)分析計(jì)算得到的邊緣輪廓三維信息數(shù)據(jù)。接下來(lái)通過(guò)基于雙向投影直方圖確定建筑物角點(diǎn),可以得到建筑物輪廓影像信息。首先利用建筑輪廓多為垂直的特點(diǎn),根據(jù)互相垂直線段的交叉點(diǎn)來(lái)確定建筑物角點(diǎn)位置,圖像在某個(gè)方向上的投影直方圖則能直觀地反映像素在某個(gè)方向的空間分布情況,如圖5所示。

根據(jù)圖5中影像數(shù)據(jù),其中X方向的投影經(jīng)累加后出現(xiàn)極值點(diǎn),極值點(diǎn)的位置就代表該建筑物輪廓X方向的位置,Y方向的投影經(jīng)累加后出現(xiàn)極值點(diǎn),極值點(diǎn)的位置就代表該建筑物輪廓Y方向的位置。在X與Y相互垂直方向上出現(xiàn)相交,則該點(diǎn)為輪廓角點(diǎn)。重復(fù)上述操作,可以達(dá)到圖6所示的基于雙向投影直方圖提取的建筑物輪廓。

圖6 基于雙向投影直方圖提取的建筑物輪廓

2.3 依據(jù)激光采樣點(diǎn)提取建筑物三維信息

經(jīng)過(guò)三維激光掃描和雙向投影后,依據(jù)激光采樣點(diǎn)提取建筑物三維信息。三維激光掃描完成后,由于多站點(diǎn)配準(zhǔn)重疊率高,儀器本身和外界環(huán)境等因素的影響,掃描點(diǎn)云存在冗余點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、雜點(diǎn)等。因此掃描點(diǎn)云要經(jīng)過(guò)濾波、去噪、精確配準(zhǔn)等預(yù)處理,才能成為完整的點(diǎn)云模型。接下來(lái)將三維點(diǎn)云映射成二維深度圖像,主要流程是先將點(diǎn)云XOY面投影到二維圖像的uv面,點(diǎn)云上的每點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)轉(zhuǎn)化成深度圖像坐標(biāo)(u,v),點(diǎn)云的Z軸坐標(biāo)等比例縮放到灰度值范圍(0,255),其計(jì)算公式為

(4)

通過(guò)計(jì)算,可以利用雙向投影得到圖7所示的基于激光采樣點(diǎn)的二維高程深度圖。

圖7 激光采樣點(diǎn)的分布二維高程深度圖

經(jīng)過(guò)如上操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑物三維信息中邊緣信息、輪廓信息以及整體激光點(diǎn)分布信息等的提取。

3 結(jié)果與討論

在經(jīng)過(guò)上述對(duì)天水市辦公建筑物三維信息提取的設(shè)計(jì),選取建筑物中3個(gè)目標(biāo),如圖8所示。

圖8 建筑物檢測(cè)樣本

分別對(duì)目標(biāo)1、2、3所測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 激光測(cè)距誤差

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析,經(jīng)激光測(cè)距得到的數(shù)據(jù)誤差均在1.5%以內(nèi),可滿足測(cè)量要求。說(shuō)明本文的方法能夠有效降低激光測(cè)量的誤差,提高公共建筑物三維信息提取的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)、CCD相機(jī)以及Carmy算子完成對(duì)公共建筑物三維信息的提取,獲取高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作,并依據(jù)三維掃描技術(shù)的激光測(cè)距數(shù)據(jù)對(duì)建筑物邊緣信息進(jìn)行獲取,最后實(shí)現(xiàn)對(duì)整體建筑物的三維信息提取。經(jīng)過(guò)測(cè)量結(jié)果可證明所提方法可有效降低激光測(cè)量的誤差,提高公共建筑物三維信息提取的準(zhǔn)確性,具有較好的應(yīng)用性能。