三維激光掃描技術(shù)在建筑立面改造中的應(yīng)用

黃 敏

(武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430079)

0 引言

三維激光掃描技術(shù),又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。因其可以快速高效地獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),將物體表面的幾何空間特征、反射率和紋理等信息以高精度、高分辨率、高密度的形式存儲(chǔ)記錄,故又被譽(yù)為“測(cè)繪領(lǐng)域繼全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)技術(shù)之后的一次技術(shù)革命”[1-3]。與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量的低效測(cè)量作業(yè)方式相比,三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用使得測(cè)量進(jìn)入面掃描的新局面。可以更加真實(shí)、包容地反映出物體本身的信息。隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展,三維激光掃描儀的自動(dòng)化程度越來越高,操作性得到大大提升,絕大多數(shù)激光測(cè)量掃描系統(tǒng)都是自帶激光光源,使得測(cè)量作業(yè)擺脫了自然光照的影響,還原物體信息的能力大大增強(qiáng)[4-5]。

在建筑立面改造中,使用三維激光掃描技術(shù)可以在不到一分鐘內(nèi)就獲取到建筑的立面信息。這是傳統(tǒng)全站式測(cè)量所無法比擬之處,同時(shí)也是近年來越來越傾向于使用三維激光掃描技術(shù)來完成建筑立面改造的原因。本文在概述三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上,以蘇州市某路沿街立面改造為例詳細(xì)說明三維激光掃描技術(shù)在建筑立面改造中的優(yōu)勢(shì)。

1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)原理

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀模塊、控制器模塊、計(jì)算機(jī)模塊、電源供電系統(tǒng)以及系統(tǒng)配套軟件等構(gòu)成[6]。三維激光掃描儀作為三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分,是由激光收發(fā)器、由馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡、時(shí)間計(jì)數(shù)器(相位差計(jì)算器)、控制電路板、微處理器、CCD相機(jī)以及軟件等組成。三維激光掃描頭模塊的激光發(fā)射器通過反射棱鏡周期性地發(fā)射激光,激光接收器接收測(cè)量對(duì)象反射回來的激光信息,控制器模塊內(nèi)的距離測(cè)量單元根據(jù)激光收發(fā)器獲取激光傳輸過程的相位差(或時(shí)間差)信息以及記錄測(cè)量對(duì)象反射率信息,掃描控制單元控制激光的水平(垂直)掃描模式[7]。最后在計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ),得到物體三維坐標(biāo)、反射率等信息(圖1)。

圖1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)原理

三維激光掃描技術(shù)的基礎(chǔ)是三維激光測(cè)距技術(shù)[8-9]。按照激光測(cè)距的原理,測(cè)距方式主要有脈沖距法、相位測(cè)距法、激光三角法等類型。當(dāng)前,測(cè)繪領(lǐng)域所使用的三維激光掃描儀,主要采用基于脈沖法來進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)距和采用相位干涉法和激光三角法來進(jìn)行短距離測(cè)距。脈沖法測(cè)距的測(cè)程可達(dá)十幾千米,適合于大范圍的礦山測(cè)量;相位干涉法和激光三角法的測(cè)距精確度可到亞毫米甚至微米級(jí),適合于文物保護(hù)和橋梁檢測(cè)。

圖2 三維激光掃描測(cè)量坐標(biāo)系示意圖

三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù),即為測(cè)量對(duì)象表面的三維坐標(biāo)。如圖2所示,三維激光掃描儀在進(jìn)行測(cè)量時(shí),往往以其儀器自身定義的幾何中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),儀器天頂方向?yàn)閆軸,X軸處于反射棱鏡的水平掃描平面內(nèi)朝向儀器外部,Y軸通過右手定則確定。通過激光傳播的脈沖差(或相位差)計(jì)算得到儀器坐標(biāo)系原點(diǎn)O到測(cè)量對(duì)象P的距離L。而激光經(jīng)由掃描控制單元控制的反射棱鏡時(shí),水平方向的旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)圖示的水平角度φ,垂直方向的旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)圖示的天頂角度θ。據(jù)此,可以得到測(cè)量對(duì)象坐標(biāo)的計(jì)算公式為[10]:

(1)

2 技術(shù)方案總結(jié)

在建筑立面改造中,三維激光掃描技術(shù)方案一般為:根據(jù)測(cè)量項(xiàng)目的需要,前期盡可能多地收集到項(xiàng)目資料并初步制定測(cè)量項(xiàng)目規(guī)劃。進(jìn)入測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘以驗(yàn)證項(xiàng)目規(guī)劃的可行性,然后分外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分進(jìn)行三維激光掃描作業(yè)。最后得到項(xiàng)目所需的建筑立面成果圖。本文技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 本文技術(shù)路線

3 應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目實(shí)施方案

對(duì)于蘇州市某路沿街立面建筑改造項(xiàng)目,因項(xiàng)目要求立面平面精度優(yōu)于5 cm,故采用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀結(jié)合Trimble RealWorks軟件的方法實(shí)施。

Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀是世界上第一款掃描速度達(dá)到百萬級(jí)點(diǎn)云每秒的三維激光掃描儀,基于相位式的測(cè)距方式最高可達(dá)到0.1 mm的分辨率,光束直徑大小約3.5 mm@1 m,其測(cè)程為0.3～187 m。52 s完成一個(gè)測(cè)站即滿足項(xiàng)目立面測(cè)量要求,可更換的內(nèi)置電源設(shè)計(jì)保證了測(cè)量的連續(xù)性與便攜性。一塊電池約1.2 kg可供連續(xù)掃描作業(yè)約4 h。該掃描儀的激光發(fā)射單元提供320°(垂直)×360°(水平)的寬泛掃描視野,可以有效解決沿街建筑出現(xiàn)的高樓以及植被覆蓋遮擋問題。

Trimble RealWorks軟件能夠很方便地處理大多數(shù)主流的三維激光掃描儀的原始數(shù)據(jù),并進(jìn)行點(diǎn)云切片,然后無縫銜接導(dǎo)入到CAD中進(jìn)行立面測(cè)圖。從高精度的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)到建筑立面圖生成的過程,毫米級(jí)精度損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于項(xiàng)目要求的5 cm。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀對(duì)項(xiàng)目建筑立面進(jìn)行全要素幾何空間數(shù)據(jù)掃描。儀器安裝簡(jiǎn)單,只需固定于腳架之上,無需標(biāo)靶,采取自由設(shè)站。但儀器自攜帶基座可供整平,若掃描現(xiàn)場(chǎng)整平儀器,則點(diǎn)云配準(zhǔn)后便不再需要重新定義水平方向。

為了在點(diǎn)云處理階段盡可能減少人工干預(yù),提升全自動(dòng)配準(zhǔn)的精度,在掃描時(shí)需要注意:

(1)盡可能選取一個(gè)較大的入射角作為測(cè)站位置,掃描建筑立面。

(2)相鄰立面的掃描應(yīng)保證有30%以上的重疊度。

(3)掃描設(shè)置為1 min一個(gè)測(cè)站,故實(shí)際有效測(cè)程常常為50～80 m。

(4)沿街建筑立面掃描作業(yè)時(shí)行人較多,在有行人遮擋的情況下,測(cè)站掃描結(jié)束后及時(shí)通過掃描預(yù)覽圖查看掃描質(zhì)量,決定是否需要補(bǔ)測(cè),以保證數(shù)據(jù)的完整性。

(5)建筑轉(zhuǎn)角處兩側(cè)需設(shè)置測(cè)站,增加點(diǎn)云重疊度。

(6)做好測(cè)站分布記錄,以便隨時(shí)查看測(cè)站分布的合理性,以便于適當(dāng)增加(或減少)測(cè)站密度,尤其是在對(duì)面沿街建筑立面掃描時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況判定測(cè)站增減。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出與轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片。

3.3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出與轉(zhuǎn)換

Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀有自身的數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)格式.zfs,使得掃描測(cè)量得到的數(shù)據(jù)文件較小。在本次實(shí)例中,每站點(diǎn)云文件通常小于50 MB,共掃描得到101站有效原始數(shù)據(jù),整個(gè)項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)文件大小為4.14 GB。儀器本身內(nèi)置存儲(chǔ)空間為64 GB,實(shí)際可用空間約為55 GB。可通過以太網(wǎng)連線導(dǎo)出或優(yōu)盤連接方式導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

Trimble RealWorks軟件支持.tzf的數(shù)據(jù)格式作為三維激光掃描原始數(shù)據(jù)格式來處理,可以激活配準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全自動(dòng)配準(zhǔn)。而從其他主流三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)只需導(dǎo)入數(shù)據(jù)后,再自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式即可達(dá)到同等效果,如Z+F、Riegl、Faro、Leica、Topcon。

3.3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

無目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)功能是Trimble RealWorks軟件相對(duì)于其他點(diǎn)云處理軟件所不具備的巨大優(yōu)勢(shì)。但是在實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中,若僅使用無目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)就將所有101有效測(cè)站拼接一起,就需要完美的保持測(cè)站布置密度,保證點(diǎn)云重疊度在30%以上。在本例沿街建筑立面改造項(xiàng)目中,因部分測(cè)站數(shù)據(jù)未能滿足無目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)要求,故而耗費(fèi)一晚上時(shí)間進(jìn)行全自動(dòng)配準(zhǔn)后,自動(dòng)分為8個(gè)配準(zhǔn)組。這時(shí)需要再手動(dòng)將非基準(zhǔn)配準(zhǔn)組拼接在基準(zhǔn)組之上。

事實(shí)上軟件的全自動(dòng)配準(zhǔn)功能和手動(dòng)配準(zhǔn)功能都是基于迭代最近點(diǎn)(Iterative Closest Point)算法來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云直接的配準(zhǔn)。在全自動(dòng)配準(zhǔn)模式下,軟件首先擬合各測(cè)站點(diǎn)云內(nèi)的平面,然后基于平面特征信息采用最小二乘法的最優(yōu)配準(zhǔn)方法,按照掃描測(cè)站順序兩兩配準(zhǔn),在保證重疊率的條件下能夠?qū)崿F(xiàn),但是在測(cè)站數(shù)較多的情況下,重復(fù)性的計(jì)算便會(huì)呈幾何倍數(shù)的削弱計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,因此有必要提前分組,以20個(gè)測(cè)站為一組進(jìn)行全自動(dòng)配準(zhǔn),便在30 min內(nèi)完成配準(zhǔn)工作。對(duì)于未自動(dòng)配準(zhǔn)到基準(zhǔn)組上的測(cè)站點(diǎn)云采用手動(dòng)配準(zhǔn)的方式,只需在大致點(diǎn)位選擇對(duì)應(yīng)關(guān)系點(diǎn)對(duì)3組,每選取一組關(guān)系點(diǎn)對(duì)的同時(shí)軟件都運(yùn)用迭代最近點(diǎn)算法來計(jì)算最優(yōu)剛體變換,與全自動(dòng)配準(zhǔn)不同的是,此時(shí)我們用目視的方法檢查配準(zhǔn)的收斂精度。

在全自動(dòng)配準(zhǔn)模式下,點(diǎn)云配準(zhǔn)結(jié)果以初始時(shí)選定的基準(zhǔn)測(cè)站為界,將所有的測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為基準(zhǔn)測(cè)站分組、非基準(zhǔn)測(cè)站分組、未配準(zhǔn)分組。此時(shí)的點(diǎn)云間整體間誤差只是簡(jiǎn)單的所有測(cè)站點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差,并不具備測(cè)量意義。

將所有未配準(zhǔn)到基準(zhǔn)測(cè)站分組的點(diǎn)云通過手動(dòng)配準(zhǔn)結(jié)合無目標(biāo)全自動(dòng)配準(zhǔn)的方式配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù),最后得到基于掃描的點(diǎn)云間整體誤差為11.3 mm。滿足項(xiàng)目測(cè)圖要求。

配準(zhǔn)后建筑立面點(diǎn)云測(cè)量可知實(shí)際沿街立面長(zhǎng)度約為1 157.6 m。

3.3.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

借用圖像處理的知識(shí),我們把目標(biāo)點(diǎn)云外的所有錯(cuò)誤或者額外的點(diǎn)都?xì)w類為噪點(diǎn),是在三維激光掃描過程中不希望存在的副產(chǎn)品。Trimble RealWorks軟件提供基于室內(nèi)和戶外的點(diǎn)云自動(dòng)分類。對(duì)于室內(nèi)自動(dòng)分類,若存在多樓層點(diǎn)云則必須手動(dòng)分割樓層,以便于得到分割后的單獨(dú)點(diǎn)云,如地板、柵格地板、天花板、墻體等。對(duì)于戶外自動(dòng)分類,則可以直接選擇設(shè)定想要分割的單獨(dú)點(diǎn)云,如地面、建筑、桿柱與標(biāo)識(shí)、電力線、高植被等。

對(duì)于軟件的自動(dòng)分類功能,一定程度上減輕了去噪的工作量,但是依舊有矮小的圍墻、沿街部分店鋪、植被遮擋的部分建筑等不少的建筑被遺漏,不適合直接進(jìn)行操作,如圖4所示。仍舊需要手動(dòng)花費(fèi)少量時(shí)間對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪,以便獲得全部沿街立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 點(diǎn)云自動(dòng)分類識(shí)別建筑點(diǎn)云

3.3.4點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大,每一測(cè)站數(shù)據(jù)約600萬量級(jí)的點(diǎn)云,全部101測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)達(dá)到億級(jí)的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù),相當(dāng)影響點(diǎn)云處理效率。此外,為了保證拼接效果,總會(huì)有大量的重疊點(diǎn)云,即使在點(diǎn)云去噪之后依然還有億級(jí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為此有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn),一般通過在配準(zhǔn)階段進(jìn)行取樣和測(cè)量出圖階段取樣來精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)。

3.3.5點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片

根據(jù)項(xiàng)目需要,沿街建筑立面改造以幢區(qū)分,緊挨著的建筑則為同一幢,因街道或道路分開的建筑則視為另一幢。因此有必要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片,以便于快速得到單幢建筑的立面點(diǎn)云。在定義切平面時(shí),Trimble RealWorks軟件提供多種法線定義模式,常用的如根據(jù)坐標(biāo)軸、自由選點(diǎn)擬合平面、三點(diǎn)確定平面、與屏幕垂直的平面。然后確定切平面位置,通過偏移和指定坐標(biāo)點(diǎn)位方式可以很容易地完成。最后定義切面,設(shè)置厚度,若建筑立面跨度較大,需適當(dāng)設(shè)置間隔進(jìn)行多切片以保留完整的立面切片。

3.4 建筑立面出圖

在三維激光點(diǎn)云處理完成后,建筑立面出圖有三種常用方式:

(1)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)直接利用點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)通過折線繪制方式,鎖定投影面后繪制立面圖,最后輸出CAD實(shí)體,后續(xù)在CAD中進(jìn)行標(biāo)注,整理出建筑立面圖。

(2)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)基于切片或者原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),選定投影面生成對(duì)應(yīng)立面的正射影像圖,導(dǎo)入CAD中作為底圖參照進(jìn)行建筑立面圖繪制。

(3)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)將點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CAD可識(shí)別的DWG格式文件,然后在CAD中可以很方便地進(jìn)行建筑立面圖繪制。

最終繪制得到建筑立面圖如圖5所示。

圖5 建筑立面圖

4 結(jié)束語

在沿街立面建筑改造的實(shí)際案例中,運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以很容易、高效率、精確地完成立面圖繪制。本文使用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀,不到一分鐘的掃描時(shí)間就可以將測(cè)站全景視野范圍內(nèi)的建筑全要素空間幾何特征信息,以三維坐標(biāo)和反射率為主要形式保存于計(jì)算機(jī)內(nèi),具備簡(jiǎn)單高效直觀的優(yōu)勢(shì),是傳統(tǒng)測(cè)量所無法比擬的。今后,運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑立面改造將成為首選技術(shù)。