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三维激光扫描技术在古建筑测绘的应用

 论文栏目:古建筑论文     更新时间:2018/1/3 11:03:49   

[摘要]古建筑测绘是指测量建筑物的形状、大小和空间位置,并在此基础上绘制相应的平、立、剖面图纸。但是,随着测绘技术的革命性变革,传统测量手段已无法完全满足实践的要求。三维激光扫描技术的发展为全面获取建筑物表面的三维数据提供了可能。本文详细论述了三维激光扫描技术的特点和优势,研究了点云数据的采集、去噪、拼接以及立面图的制作,尝试了古建筑建模的方法;通过项目实例,总结出外业“控制与碎步相结合”+内业“先单体,后整合”的整体解决方案。结果表明:利用三维点云数据制作的立面图可以直观的体现古建筑的结构形态。

[关键词]古建筑测绘;三维激光扫描;点云拼接;正射图;三维建模

1引言

古建筑测绘从技术上属于测绘学分支中的工程测量,但由于其具有历史意义,因此又不同于工程测量。为了给古建筑保护提供准确而又翔实的资料,需要对古建筑的相关几何、物理和人文信息及其随时间变化的信息适时进行采集、测量、处理、显示、管理。传统古建筑测绘一般采用全站仪、卷尺等工具进行人工测量,这种方式需要耗费大量的人力和物力,测量的精度也比较低,而且因其操作属于接触性测量,可能会对文物产生二次破坏[1],造成不必要的损失。与传统的测量的方式相比,三维激光扫描技术具有非接触性,应用于古建筑测绘中,既能节省人力、物力,保证工作人员的安全,也能减小对文物的损害;三维激光扫描能够高速获取建筑物表面大量数据,可以很大程度上保证古建筑的数据的完整性;测量成果丰富,能满足不断增长的应用需求、符合未来发展趋势。本研究以北京某四合院三维数字信息采集项目为依托,探讨了三维激光扫描技术在古建筑三维数字化、数据预处理及正射图制作方面的相关技术问题,并采用第三方软件对古建筑三维建模技术进行了尝试。

2三维激光扫描数据处理

2.1外业扫描

2.1.1激光扫描原理地面三维激光扫描系统包括两个主要的运行过程:一是多面反射镜的转动,可以精确的记录角度值;二是将脉冲按照预定的方向快速发射,使其沿横、纵向的执行快速扫描。通过以上运行过程,三维激光扫描获得的原始数据主要包括:激光反射镜在水平方向的旋转角度α;在竖直方向的旋转角度β;激光反射回来后扫描点到仪器坐标中心的距离S;扫描点的反射强度及场景影像数据等[2]。根据扫描原理,利用扫描仪获取的原始数据,可以计算出目标物表面某扫描点相对于仪器中心的三维坐标值,其原理如图1所示。被扫描到的点带有三维坐标信息和激光反射信息,扫描点数据被保存到扫描工程中或内置SD卡中,这是目标物体重建的原始数据。一般情况下,扫描仪记录的点云数据会按照目标物体的轮廓形态以一定的顺序记录[3]。2.1.2外业实施(1)控制测量在古建筑周边均匀布设控制点以保证对扫描数据形成整体控制。在各个控制点建立扫描站,采用反射片真实坐标作为该站坐标转换的依据。同时,古建筑周边需建立附和或闭合扫描线路,并且每个扫描站均做控制。(2)扫描测量针对各个建筑立面特点循序渐进选择架站位置进行扫描,最后对于细部存在遮挡位置进行多次多角度设站;室内扫描也遵循同样的原则,除此之外,为保证室内外衔接,在单体建筑门口位置架设衔接站。选择站点位置时,尽量保证站点均匀分布以保证数据分布的均匀性。

2.2内业数据处理

外业扫描的数据需经过导入、单天工程处理、单体工程处理三个阶段,单天和单体工程需分组进行处理,采用的软件为RiSCANPro,数据处理流程如图2所示。主要步骤包括相机的校准、点云数据的“站-站”粗拼接、各站点云噪声去除、整体数据的精拼接、单体建筑正射图制作,其中噪声的去除、数据精拼接、正射图制作为关键步骤,任何一项处理不当就会影响成果的质量。

2.3古建筑三维模型构建

数据获取的最终目的就是通过构建实体模型来准确地描述被测物体的信息。三维点云模型仅仅只包含了表面采样点的空间坐标信息,是离散的模型,在被测对象的表达上有一定的局限,因此必须通过一定的方式建立相应的三维几何实体模型,进而实现古建筑的数字化。本文对古建筑建模进行了尝试,采用的软件为GeomagicStudio12,其生产实体模型的流程如图3所示。

3案例研究

本次项目实例以北京某四合院为研究对象,采用的仪器为RieglVZ-400i(如图4所示),该仪器扫描速度最高可达120万点/秒,测量精度优于5mm,最大测距能力理论值可达800m,外接2000万像素的尼康D610数码相机,可为后期建筑物正射图的制作提供高清晰的彩色纹理。

3.1项目概况

经过现场踏勘,待测四合院可分为三个部分,一进门、前院、后院,共有单体建筑20栋,其中一进院较为狭窄,二进院和三进院较为宽阔,院内均分布有高大树木及部分杂物,场区建筑分布如图5所示。外业数据采集历时7个工作日,扫描总站数为364站,数据量共600G。扫描数据主要参数为:数据覆盖率90%以上,最小点间距小于6mm,整体拼接数据误差1.7mm;数据精细度满足1∶50出图要求,解析度大于150dpi。

3.2数据处理中的关键技术研究

3.2.1去噪噪声是指与建筑物本身无关的点,以此可分为环境噪声(人员、车辆、树木等)、仪器噪声(反射率噪声、回波噪声等)[4],数据精拼接以三角网为依据,因此非固定的噪声(晃动的树木,行走的人、车等)的存在影响数据精拼接的精度;仪器噪声分布于真实物体表面,它的存在直接影响成果的质量。对于仪器噪声RiSCANPro软件中有相关的功能,并且反复试验多次得出反射率的去噪阈值为-20dB(即反射率小于-20dB的均为噪点),回波噪声可以只保留单回波及第一次回波,而对于环境噪声是不可预知的,因此此类噪声多数需人工干预。图6、图7分别是仪器噪声去除前后对比效果图。除此之外,虽然点云去噪步骤较为简单,但是重复性太强,充分利用软件中的各项工具,可以提高效率,并且去噪前,必须保证已经完成MTA转换,否则去噪后再进行转换,所有的工作都将无效。3.2.2精拼接四合院总站数为364站,平均每站数据量为1.5G,总体数据量较大,精拼接成果数据需要具有北京地方坐标系坐标成果,在精拼接时,为了提高拼接效率并且避免出现数据分层,依照测量中“先控制,后碎部”原则,第一步,建立扫描站的控制路线,在四合院整体范围内选择较为合适的前后通视位置以及各建筑物室内外衔接站,建立扫描控制路线(图8),每个院内的主体扫描站利用反射片直接获取北京市坐标,对于路线中的其他站采用精拼接(ICP)[5]的方式进行拼接;第二步,以控制导线中的站点为固定站,对室内室外分别拼接。为了保证项目要求精度(3mm),需在精拼时多次操作,误差限差由大到小进行设置,并在完成后进行剖面检查,查看数据分层情况[6]。对偏差较大的数据及时进行调整,图9为拼接结果整体拼接误差达到1mm。除此之外,粗拼接必须保证较高的精度(经验值20mm以内)并且在各个坐标轴方向没有明显的坐标旋转角,以此保证精拼接不出现异常结果。3.2.3正射图制作各站扫描角度不同,对于同一物体扫描存在色差,在正射图制作过程中容易出现颜色分层,影响整体美观效果。针对正射图制作过程中出现色彩不均、色彩分层的问题,采用以下方法解决,针对某一个建筑物立面。将所有相关站分离出来对比照片色彩,选用效果较好的作为样例,在图片处理软件(Photoshop)中调整其他站点的照片色彩,将色差降到最低(图10)。由于需要对部分站点的数据进行隐藏或删除,考虑到数据的完整性,及操作的效率,可以将每站中与当前剖面有关的数据复制出polydata,对polydata进行处理;正射时遇到角度旋转问题,可一次性整体调整,然后出图。需要特别注意的是,为了避免成果数据坐标发生变化,出图前尽量将所有站点的旋转矩阵(SOP)导出以备不时之需。出图时,参照站点布置图加站,尽量只保留每站扫描的重点区域,如有缺失,再进行补漏,对由于植被晃动引起的赋色误差,在处理时可沿边缘进行剔除,以保证出图质量(图11、图12)。图13、图14为部分正射图成果。图15为四合院整体鸟瞰图。

3.3古建筑三维建模

在Geomagicstudio12软件中,首先将经过预处理后的点云数据进行封装,保证建筑物表面的连续性,再通过一定的方法对多边形进行曲面拟合,经一些列的修复操作后构造三维实体模型。流程如图2.3。点阶段的工作主要是:点云拼接、点云去噪、点云滤波、点云压缩和点云封装,这在前面章节中已经进行了阐述,下面接着已经处理好的数据,直接进行多边形阶段的处理。多边形阶段的处理工作主要包括孔洞和缺口的修补、特征去除、多边形抽稀简化、平滑松弛等。曲面阶段软件中有比较快捷的处理工具,只需进行简单的操作即可生成平滑的曲面,对于细部的瑕疵,还需要单独进行修复。模型构建完成之后模型颜色为系统颜色,需要进行纹理映射工作以获得更加真实的效果。3.3.1多边形孔洞修补所谓多边形孔洞修补就是利用周边领域的完整三维数据插值出缺损部位的点云数据,并建立数据间的相应拓扑关系[7]。进行孔洞填补时,小孔用平面填补,大孔用基于曲面的方法填补[8]。效果如图16、17所示。图16封装好的屋顶数据图17孔洞修补完成的屋顶3.3.2特征去除、平滑、松弛由于原始数据排列杂乱无章,形成的三角面会出现交错、覆盖、凸起、钉状物等现象,而软件中“多边形去除特征”和“网格医生”命令能很好地优化处理这些小瑕疵[9],可以使整体模型变得光滑柔顺。3.3.3模型纹理映射纹理映射实质上是从二维纹理平面到三维模型表面的一个映射(即UV映射)[10]。一般来说,二维纹理文件属于平面系统,可以用数学函数表达,亦可以用各种数字化图像来离散定义。这样,该平面系统的每一点处,均定义有颜色值,称该平面区域为纹理空间。将外业采集的正射纹理图片进行处理后,在软件中通过生成纹理贴图,纹理匹配点对应以及投影图像三个步骤实现对应模型的纹理映射工作,屋顶点云模型和最终纹理映射效果如图18和图19所示。

4结束语

本文阐述了三维激光扫描技术用于古建筑测绘的关键技术,以某四合院扫描为例进行了探讨,分析了项目中内外业主要流程及实现方法,针对不同情况总结出相关技术方案,并尝试利用第三方软件实现建筑物模型构建,三维激光扫描仪作为古建筑测绘的一种新的技术手段,一定会在古建筑测绘应用中得到普及和推广,并在历史建筑保护与再生利用领域中发挥重要的作用。设站的优化、去噪自动化程度低、精拼接异常、与CAD软件的交互以及模型的制作效率和精细度仍是日后应用研究解决完善的重要方向。

参考文献

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[2]袁凤祥,秦岩宾,安家瑞.三维激光扫描技术在土石方量测量中的应用[J].测绘工程,2016(9):55-58.

[3]黄飒.三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D].河南焦作:河南理工大学,2012.

[4]黄飒.三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D].河南焦作:河南理工大学,2012.

[5]吴霆.基于标签法和ICP的点云拼接方法[J].仲恺农业工程学院学报,2011(4):57-59.

[6]李宝瑞.地面三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用于研究[D].陕西西安:长安大学,2012.

[7]廖紫骅,蔡继鸣,封全宏,等.三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用[J].东华理工大学学报(自然科学版),2013,36(4):410-414.

[8]李永强,牛路标,杨莎莎,等.大型仿古建筑三维精细建模方法研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2015,34(5):640-644.

[9]卢小平,王玉鹏,卢遥,等.齐云塔激光点云三维重建[J].测绘通报,2011(9):11-14.

[10]陈岳涛,赵芳,田董炜,等.基于三维激光扫描技术的雕像建模[J].科学技术创新,2017,(19):115-116.

作者:张立伟 刘鹏飞 李冠 单位:北京市勘察设计研究院有限公司

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