基于激光雷達的建筑三維數字化技術應用研究

王瑤瑤王京衛趙莉莉

(山東建筑大學測繪地理信息學院,山東濟南250101)

0 引言

建筑作為人類文化的寶貴遺產,不僅記錄了一個國家和民族特定歷史時期政治、經濟、文化的發展歷程,而且是研究歷史文化的實物例證[1]。而建筑的保護是指對各種建筑文化遺產現場測量、記錄與恢復。傳統的建筑保護主要是以文字、圖表、影像等形式存儲建筑的三維信息。其不僅數據量巨大,而且不能獲取建筑準確的三維空間信息和結構關系,對建筑的科學研究、重建、仿建和修復沒有很大價值[2]。傳統建筑測量方式不僅需要直接接觸建筑,而且效率低、精度不高。因而,傳統測量技術在建筑數字三維重建應用領域存在一定局限性。激光雷達LiDAR(Light Detection and Ranging)技術作為建筑保護的一種新技術手段,具有非實體接觸、掃描速度快、獲取數據全面、數據精確的特點[3]。田繼承等利用LiDAR點云數據完成了對云岡石窟的三維重建[4],賀一波等將LiDAR技術應用于古城墻,完成了甕城古城墻的建模及修復工作[5]。LiDAR技術能夠對建筑的幾何和紋理信息進行掃描,并以數字的形式存儲或構建成三維模型,可有效防止文化遺產數字化過程中不同程度的損壞,這對建筑的保護、修復以及研究具有重要意義[6-7]。

隨著地理信息系統(GIS)技術迅速發展,三維地理信息系統(3DGIS)成為GIS的一個重要發展趨勢[8]。相比傳統建筑保護方式,3DGIS更加逼真、更貼近人們的視覺習慣,能夠表達更多的空間關系,并且具有良好的可擴展性。利用3DGIS技術可以進行空間數據的存儲、表現、查看、管理、量算和分析。3DGIS技術的發展對建筑的數字化保護具有重大價值。蘭玉芳等[9]利用傳統三維建模技術結合ArcGIS軟件創建了校園3DGIS系統。在建筑數字化保護領域,將LiDAR技術和3DGIS技術結合應用,可以彌補現有建筑存檔和保護形式中存在的不足,實現建筑數字化的永久保存。

文章以山東建筑大學校內地圖地契展館——鳳凰公館為例,研究了LiDAR數據結合SketchUp軟件快速三維建模技術方法；以模型信息的三維管理與分析為目的,同時考慮點云數據在SketchUp軟件中的轉換和三維模型數據的屬性信息,實現了在ArcGIS中三維場景的構建、空間信息的三維查詢與分析等功能。

1 基于激光雷達的建筑三維模型建立

1.1 激光雷達的工作原理

激光測距是LiDAR工作的主要原理,目前主要有3種方法:脈沖測距法、相位測距法和激光三角法。在測繪領域LiDAR主要采用脈沖測距法。脈沖測距法是一種高速激光測時測距技術,LiDAR設備發射出單點的激光,同時記錄激光的回波信號。通過計算激光的飛行時間,來計算目標點與遙感設備之間的距離[10]。在LiDAR設備中坐標軸通常定義為:坐標原點O位于激光束發射處,z軸位于儀器的豎向掃描面內,向上為正；x軸位于儀器的橫向掃描面內并與z軸垂直；y軸位于儀器的橫向掃描面內與x軸垂直,同時y軸正向指向物體,且與x、z軸一起構成右手坐標系,如圖1所示。

圖1 LiDAR測量原理示意圖

假設α為激光束的豎直方向角,β為激光束的豎直方向角,S為儀器到被測量點的斜距。LiDAR所測量點P(x,y,z)的坐標計算公式由式(1)表示為

LiDAR設備獲取被測物體表面每一個采樣點的空間坐標后,得到的是一個點的集合,稱為“點云”,其每一個點的初始觀測值是一個距離值和2個角度值。LiDAR設備最終將每個點的原始觀測值轉換為被測物體的空間三維坐標(x,y,z),并將這些數據存儲在特定格式的文件中。

1.2 點云數據獲取及預處理

鳳凰公館原位于西鳳凰街40號院,其尺寸為16.4 m×13.7 m×9.1 m(長×寬×高),是單體比較宏大的一座濟南近代建筑,至今已有100余年的歷史,其建筑形態對研究濟南近代史有重要的作用。日偽期間,這座建筑被日軍侵占,并將其設立為日軍的特務機構——鳳凰公館。這棟建筑見證了當年日本侵略者的滔天罪行,具有重要的歷史價值。

2009年,隨著舊城改造的開展,鳳凰公館按原有規模遷至山東建筑大學新校區進行異地重建,主要用于展示山東建筑大學收藏的地圖地契等,成為山東最早的建筑文化博物館,如圖2所示。

圖2 鳳凰公館圖

1.2.1 點云數據獲取

野外獲取點云是后續建模與應用的基礎,要求獲取的點云符合精度要求。掃描作業開始前的準備工作,一般包括儀器準備、人員組織、現場踏勘、后勤保障、測量控制點布設等。采用球形標靶控制點方式拼接的情況下,掃描步驟的基本步驟主要為儀器安置、擺放球形標靶、儀器參數設置、開始掃描、換站掃描、數據輸出、結束掃描工作[11]。根據鳳凰公館的地理位置及幾何形狀,s001-s005分別為掃描鳳凰公館布設的5個站點,如圖3所示,實驗表明,掃描站點的布設符合后期拼接重疊度的要求。

1.2.2 數據預處理

點云數據在獲取的過程中受到環境和本身系統的影響,點云數據不能被直接使用,需要對其進行預處理。點云數據的預處理主要包括點云去燥、點云拼接和點云裁剪[12-13]。實驗進行點云數據的預處理主要通過FARO SCENE軟件實現。其為一款專為FARO(Laser Scanner Focus)3D和FARO(Scanner Freestyle)3D而設計的三維存檔軟件,將原始掃描點云數據導入FARO SCENE中,可以進行數據預處理。

圖3 鳳凰公館掃描站點示意圖

標靶拼接是點云拼接最常用的方法,在掃描站點設置時在掃描兩站的公共區域至少放置＞3個的標靶球,球體目標應在特定的掃描距離內[14]。以1/4掃描分辨率為例,標靶球到掃描儀的距離＜18 m,標靶球之間的距離＜60 m。在FARO SCENE軟件中,將五站數據導入,對其進行基于目標的拼接,見表1,點云拼接平均距離均＜4 mm,完全能夠滿足拼接精度要求[15]。

表1 點云拼接精度表

由于LiDAR技術掃描的特點,會產生很多不必要的數據,因此需要對拼接完成的數據需要進行裁剪,運用自動裁切框框選所需數據,刪掉裁剪框外點云數據,最后得到較為精簡的點云數據,導出點云為接下來三維重建做準備。裁剪后點云數據如圖4所示。

圖4 裁剪后點云數據圖

1.3 三維幾何建模

傳統建筑三維建模通常采用輪廓線提取的方法,主要借助于AutoCAD軟件,也可以編程[16]。利用SketchUp軟件直接結合點云數據不僅降低了工作流程的復雜度,而且更加直觀具體,大大提高了工作效率。

1.3.1 點云數據格式轉換

從FARO SCENCE軟件中導出來的點云數據格式為.lsproj格式,SketchUp軟件本身并不能識別此格式點云數據,無法直接導入使用,因而在建模之前需要轉換數據格式。在SketchUp軟件中安裝能識別點云數據的Undet for SketchUp插件。利用Undetfor SketchUp插件將.lsproj格式數據轉換成Sketch-Up軟件能直接使用的.ipcp文件。

1.3.2 三維幾何建模

由于鳳凰公館結構比較規則,具有對稱性。利用裁剪框對點云數據進行切片,在平面上根據點云提取鳳凰公館墻身邊界線,通過拉伸命令獲得鳳凰公館輪廓。根據生成的墻體輪廓和點云精細調節細部結構。

鳳凰公館南北兩側各有3個窗戶,為了提高建模效率,對其中和一側進行精細建模,并將其創建成群組,利用鳳凰公館的幾何對稱性,將建好的窗子鏡像到另一側墻體。根據點云調整鏡像后群組的位置,用同樣的方法對西側窗戶和東側門進行建模。初步拉伸模型如圖5所示。

圖5 初步拉伸模型圖

由于在獲取點云過程中,東南側被樹木遮擋嚴重,無法獲取完整點云數據,因此進行三維建模時,同樣利用鳳凰公館的幾何對稱性彌補點云缺失部分。鑒于屋頂部分結構復雜,獲取完整點云數據的難度較大,因此借助全景效果圖和現場采集照片對其進行建模。綜合點云數據和現場照片對屋頂進行輪廓線提取,首先繪制瓦片一側,按照路徑跟隨命令生成瓦片,再利用屋頂輪廓將瓦片布滿整個屋頂。屋頂分為四面,利用屋頂輪廓線對其進行裁剪,得到完整的屋頂結構,如圖6所示。根據點云數據將屋頂部分和建筑主體部分組合在一起,如圖7所示。

圖6 屋頂模型圖

1.3.3 紋理映射

紋理映射是還原真實三維模型的重要步驟。基于點云數據創建的三維模型,已經具有了良好的幾何精確性,但是為了滿足三維模型可視化的需求,還原三維景觀的表面細節,還需要采用紋理映射技術對三維模型添加真實的色彩。紋理映射就是模擬真實景物表面紋理細節,用圖像來替代物體表面紋理細節,提高仿真度和系統顯示速度[17]。

利用Photoshop對前期采集的紋理進行拉伸變形,使其符合紋理貼圖規范,處理的重點在于使紋理尺寸與真實尺寸一致。為了使顏色更加統一協調,使用顏色編輯器提取屏幕顏色,并將其運用到相同顏色的紋理圖像中。實驗紋理采用真實紋理,其映射后的三維模型如圖8所示,其映射細節部分如圖9所示。為了提高處理速度,方便后期數據管理以及三維瀏覽,先將三維模型進行分組管理,分為墻、屋頂、門窗等部分。

圖7 組合后三維模型圖

圖8 紋理映射后的三維模型圖

圖9 紋理細節部分圖

2 基于激光雷達的建筑三維數字化技術應用

利用SketchUp建立的三維模型可以達到三維觀賞瀏覽的目的,但是對于建筑的數字保存和三維修復,只建立三維模型無法獲得開展建筑保護所需要的屬性信息,不足以支撐建筑的數字化保存。因此,賦予三維模型屬性信息是建筑保護的核心部分。

2.1 數據轉換

利用ArcGIS特有的數據管理、可視化、空間分析等功能,結合SketchUp建立的三維模型數據實現對三維模型的屬性管理、空間分析以及可視化。SketchUp建模得到的數據為skp格式,ArcGIS不能直接對其進行編輯,需要將 skp格式轉換成Multipatch格式,并將其存儲在Geodatabase中,通過ArcSence對其進行編輯查看。ArcSence是1個用于展示三維透視場景的ArcGIS平臺,三維模型顯示效果圖如圖10所示。

圖10 在ArcSence中的三維模型顯示效果圖

2.2 建立建筑的信息數據庫

建筑的信息數據庫通常包括空間數據庫和屬性數據庫兩部分。通過建立建筑信息數據庫,對建筑信息進行采集、存儲和管理,為建筑的修復和重建等提供原始數據,還能夠作為分析展示和建筑評價體系的重要依據[18]。

2.2.1 空間數據庫

空間數據庫信息主要通過以LiDAR技術掃描獲得的點云數據和儀器自身攜帶相機獲取的數字圖像為基礎數據獲得,包括平面圖、立面圖、三維掃描圖以及歷史修建圖紙等。

2.2.2 屬性數據庫

屬性數據庫信息主要通過以建筑自身信息為基礎獲取,如建筑結構、高度、面積、位置等屬性信息,另外也包括與建筑相關的詳細歷史情況和建筑文化信息等[18]。建筑的屬性數據表結構見表2。

2.3 圖形與屬性的鏈接及其查詢

空間信息查詢是GIS主要特征之一。三維屬性查詢由屬性查詢工具實現。在激活查詢工具后,操作員通過選擇地面對象獲取要素的相關屬性。選擇對象的屬性信息顯示在屬性表中。通過超鏈接的方式不僅可以賦予構建要素屬性信息,使屬性信息與建筑構件相互關聯,還可以對構件要素或屬性進行雙向查詢。利用 ArcGIS識別功能得到的牌匾查詢結果如圖11所示,點擊鏈接部分可以得到查詢對象的信息、圖片等。

表2 建筑的部分屬性表結構表

ArcGIS的3D分析模塊不僅繼承了ArcGIS桌面的二維分析功能,還可以進行3D場景的動畫模擬。利用空間量測功能在三維顯示窗口內可以量測平面之間的距離、建筑物的高度和地面物體的面積。使用測量工具在三維顯示窗口中繪制直線并獲得線上每個節點的坐標信息。在測量狀態下,通過繪制線段,由空間坐標計算整個線段表示的距離。

圖11 牌匾查詢結果圖

3 結語

相比傳統建筑測繪技術,LiDAR遙感在建筑三維空間數據獲取方面具有獲取數據速度快、精度高、非接觸等優勢。利用LiDAR遙感結合3DGIS,可建立建筑的三維信息模型,不僅能實現對建筑三維空間信息形象生動的表現,而且還能對建筑空間信息和屬性信息進行管理、查詢與分析,為建筑文物保護、修繕、異地復原等工作提供詳細的工程數據。LiDAR遙感和3DGIS的快速發展應用,為眾多建筑文化遺產三維數字化提供了有效的手段,并將在珍貴古建筑文物價值的研究、傳播和利用領域發揮重要作用。