基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的震后建筑物三維可視化建模

李京，劉亞靜，劉明月

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0引言

進(jìn)行震后建筑的三維建模對(duì)于充分了解震后建筑損毀程度以及進(jìn)行災(zāi)情評(píng)估具有重要意義。傳統(tǒng)的建筑物震害調(diào)查以實(shí)地獲取震害照片為主，但由于數(shù)據(jù)采集能力的限制，很難快速獲取高精度的建筑物三維數(shù)據(jù)[1]。隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)不斷更新與發(fā)展，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、遙感技術(shù)以及三維激光掃描儀等手段不斷應(yīng)用于震后建筑震害評(píng)估[1-3]。其中三維激光掃描儀可高精度快速地獲取目標(biāo)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)并且突破傳統(tǒng)測(cè)量方法單點(diǎn)測(cè)量局限性的優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查、地形測(cè)繪、變形監(jiān)測(cè)、考古與文物保護(hù)及城市建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域[4-7]。基于激光點(diǎn)云建立震害建筑物的三維可視化模型，并將震后建筑物的真實(shí)表面以數(shù)字的形式長(zhǎng)期完整地保存下來(lái)，有利于建筑物的災(zāi)后重建，并且進(jìn)行震害信息提取從而進(jìn)行聯(lián)合分析，有利于滿足對(duì)于地震遙感應(yīng)急評(píng)估的需求，并為之提供可用的數(shù)據(jù)源評(píng)估。如李強(qiáng)等以北川縣城掃描獲取的地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將面向?qū)ο蠓椒ㄒ氲孛鍸iDAR點(diǎn)云建筑物提取中，實(shí)現(xiàn)了震害建筑物自動(dòng)提取[3]；焦其松等采集汶川地震震后彭州市白鹿中學(xué)的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物的典型破壞特征及地表破裂情況進(jìn)行了研究，再現(xiàn)了白鹿中學(xué)破壞場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了震害信息的永久保存[8]；沈大勇等以震后北川縣城為例，探討了震后三維場(chǎng)景構(gòu)建過(guò)程中，通過(guò)幾何修正和紋理映射實(shí)現(xiàn)損毀道路三維可視化[9]；Dominik Brunner等提出利用震前高分辨率光學(xué)影像模擬震后SAR 影像，與震后SAR影像進(jìn)行變化檢測(cè)來(lái)提取震害建筑物信息的方法[10]。Rehor等人利用震后機(jī)載LIDAR 數(shù)據(jù)提取了震害信息[11]。

該項(xiàng)研究選取北川縣城遺址內(nèi)單體建筑物為研究對(duì)象，通過(guò)布置方案全面掃取研究區(qū)域的震害現(xiàn)場(chǎng)，獲取完整的震后建筑物表面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后選取部分震后受損的建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行配準(zhǔn)拼接、點(diǎn)云分割、去噪濾波等預(yù)處理操作。之后基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)震后建筑物的三維建模，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體重建，并給出受損建模具體過(guò)程以及精度分析。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

為了獲取完整的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，應(yīng)遵從以下布設(shè)原則：首先，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地形特征和地物特征布設(shè)作業(yè)范圍，并布設(shè)掃描站點(diǎn)，合理安排掃描儀器的位置確保相鄰站點(diǎn)數(shù)據(jù)具有重疊部分。同時(shí)盡可能減少測(cè)站數(shù)，以便減少數(shù)據(jù)量和測(cè)站之前的拼接誤差。其次，確保遮擋較少，避開(kāi)其他人員干擾，從而使數(shù)據(jù)包含完整的建筑信息。

該數(shù)據(jù)采集利用Rigel VZ-400三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，掃描速度為125 000 pts/s，掃描儀的點(diǎn)間距<1 mm；距離精度為±5 mm，掃描視場(chǎng)范圍為360°×100°(水平×垂直)，設(shè)置此次的掃描模式為：長(zhǎng)距模式。在不同的站點(diǎn)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使建筑物完全被掃描，確保目標(biāo)不被漏點(diǎn)。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)拼接

為了獲取目標(biāo)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)全貌，將在不同掃描站所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接。點(diǎn)云拼接是通過(guò)2個(gè)掃描站間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將2個(gè)坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系中，也稱之為點(diǎn)云配準(zhǔn)[12]。點(diǎn)云拼接分為粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)，當(dāng)粗配準(zhǔn)精度不滿足要求時(shí)，利用精配準(zhǔn)進(jìn)一步提高精度。粗配準(zhǔn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接使用Riscan Pro軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，以選取同名點(diǎn)的配準(zhǔn)方法，相鄰兩站依次進(jìn)行配準(zhǔn)。在選取同名點(diǎn)時(shí)，盡可能精準(zhǔn)選取兩站重合的同名點(diǎn)，以便減小誤差。拼接完成之后可為每站的點(diǎn)云賦予不同的顏色，從而觀察拼接之后的效果。常采用的精配準(zhǔn)算法是ICP迭代法(Iterative Closest Point)也叫迭代最近點(diǎn)法，該算法是由Besl和Mckay在1992年提出[12]，通過(guò)利用最小二乘迭代法使平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)最優(yōu)，并使誤差函數(shù)最小。該項(xiàng)研究通過(guò)點(diǎn)云拼接之后的精度可達(dá)到4.6 mm。

1.2.2數(shù)據(jù)去冗

為了提高數(shù)據(jù)處理效率和對(duì)電腦軟硬件的配置要求。需要數(shù)據(jù)去冗，數(shù)據(jù)去冗分為粗刪和精刪。粗刪主要是對(duì)震后建筑物研究對(duì)象以外無(wú)關(guān)的事物進(jìn)行刪除，而對(duì)于建筑物倒塌的部分進(jìn)行保留，以便還原、保留更真實(shí)的震后情況。精刪主要是對(duì)局部具體細(xì)節(jié)，如通過(guò)透過(guò)門(mén)窗等掃描的點(diǎn)云在建筑物內(nèi)部進(jìn)行剔除。

1.2.3去噪濾波

為避免數(shù)據(jù)量過(guò)大，致使在Risan Pro軟件中無(wú)法生成polydata，引起數(shù)據(jù)導(dǎo)出失敗，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次濾波和抽稀。在不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下盡可能減少數(shù)據(jù)量，以便在軟件中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并提高點(diǎn)云計(jì)算速率從而提高建模效率。去噪濾波是通過(guò)對(duì)激光掃描回波信號(hào)強(qiáng)度的辨別來(lái)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤點(diǎn)及粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除。通過(guò)中值濾波剔除奇異點(diǎn)，利用曲面擬合去除前端遮擋物，當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度低于閾值時(shí)，距離信號(hào)值為無(wú)效[13,14]。以上數(shù)據(jù)拼接數(shù)、數(shù)據(jù)去冗以及去噪濾波主要通過(guò)Risan Pro軟件進(jìn)行，在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，以文件形式保存提取出的目標(biāo)建筑物并用于三維建模。

1.3 基于點(diǎn)云的震后建筑物三維建模方法

Geomagic Studio具有強(qiáng)大的逆向建模功能，在我國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用。該軟件遵循點(diǎn)階段—多邊形階段—曲面階段的三階段作業(yè)流程，可以輕易地從點(diǎn)云創(chuàng)建出完美的多邊形模型和樣條四邊形網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面，建模效率高[15]。在通過(guò)Risan Pro軟件完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，基于Geomagic Studio軟件實(shí)現(xiàn)震害建筑物三維可視化建模，通過(guò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換導(dǎo)入、分割以及處理完成目標(biāo)建筑物的模型的構(gòu)建，在處理過(guò)程中一般分為點(diǎn)、多邊形和曲面3個(gè)階段。圖1所示為震后建模流程。

圖1 震后建模流程

1.3.1點(diǎn)階段

在點(diǎn)云預(yù)處理階段已進(jìn)行拼接、冗余剔除以及去噪濾波。點(diǎn)階段繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)云階段的處理。首先利用Cloud Compare轉(zhuǎn)換為ply格式，導(dǎo)入Geomagic Studio軟件。為使得建筑物特征明顯、清晰以及提高計(jì)算速率和建模效率，在點(diǎn)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分割。點(diǎn)云分割就是將同一片曲面上獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)賦予相同標(biāo)志的過(guò)程[16]。點(diǎn)云分割的方法主要有2種：手動(dòng)分割和自動(dòng)分割，其中手動(dòng)分割適用于數(shù)據(jù)特征明顯，分割次數(shù)少的情況。目前RainDrop公司推出的軟件Geomagic Studio未對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割進(jìn)行深入研究和應(yīng)用。所以該項(xiàng)目運(yùn)用軟件進(jìn)行手動(dòng)分割，在分割過(guò)程中要盡可能減少分割次數(shù)，使分割后的數(shù)據(jù)凸顯各個(gè)形狀特征，確保模型建模貼近真實(shí)情況，從而使模型在后期封裝的精度更高、特征更加明顯、可視化效果更好。

1.3.2多邊形階段

首先進(jìn)行封裝，所謂封裝就是通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建多邊形的過(guò)程。點(diǎn)云的封裝主要有曲面封裝和體積封裝。曲面建模從局部進(jìn)行三角網(wǎng)格化，然后不斷延伸直至實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)格化，曲面封裝建模速率較快，并且節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存，主要用于數(shù)據(jù)均勻或完整的曲面。體積封裝主要用于數(shù)據(jù)不完整不均勻的數(shù)據(jù)，需要時(shí)間較多，計(jì)算速率較慢[17]。該項(xiàng)研究采用曲面封裝的方法，利用封裝工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行封裝，完成基本模型的初步建立。在完成封裝后，再對(duì)一些之前漏掉的雜點(diǎn)封裝成的點(diǎn)云集合進(jìn)行去除，對(duì)于與所要建模的建筑物無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除或者去除特征處理。

由于所獲得的點(diǎn)云的質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致封裝后所建立的基本模型缺少點(diǎn)云數(shù)據(jù)而產(chǎn)生孔洞。需要對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)處應(yīng)盡量與周圍特征面保持一致。對(duì)于模型曲面上的凸形部分，可以選擇去除特征或是刪除釘狀物功能加以去除，并且可以使用快速平滑和砂紙功能使模型表面更加平滑。在分塊的模型合并的前后，為防止由于封裝成型的三角形數(shù)量過(guò)多而導(dǎo)致在顯示時(shí)形成點(diǎn)云狀，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化時(shí)選取70%～90%之間。選取百分比的太小要適中，太少會(huì)使簡(jiǎn)化效果不好，太多會(huì)導(dǎo)致丟失掉許多細(xì)節(jié)。

模型合并主要有2種方法：一種是直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼合，另一種是各個(gè)部分構(gòu)造幾何形體最后再拼接幾何形體[17]。該項(xiàng)研究選取的是先將各個(gè)部分的點(diǎn)云構(gòu)造幾何體處理好后再進(jìn)行模型的合并。把最初分割后處理好的模型通過(guò)導(dǎo)入的方式導(dǎo)入到一起，由于模型的坐標(biāo)系是相同的，所以在分割后再次合并的時(shí)候可以相互吻合。選取2個(gè)模型通過(guò)合并工具進(jìn)行合并，使之成為一個(gè)完整的模型。

1.3.3曲面階段

曲面重構(gòu)就是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造出一個(gè)用精確的數(shù)學(xué)函數(shù)描述的曲面。一般采用過(guò)插值和近似這2種方法進(jìn)行曲面的構(gòu)建，其中近似法只需要逼近原始數(shù)據(jù)即可。

三維曲面模型構(gòu)建原理：

f(x,y,z)=a1x2+a2y2+a3z2+a4xy+a5yz+a6yz+a7x+a8y+a9z=0

(1)

其中x、y、z分別為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，ai為擬合系數(shù)。

基于曲面的模型重建時(shí)直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面片的擬合，然后再將獲得的曲面片經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接形成最終曲面模型的過(guò)程。

1.4 偏差分析方法

1.4.1儀器測(cè)量誤差

點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差主要來(lái)源于測(cè)距和測(cè)角的誤差。這兩方面對(duì)精度的影響為：

(2)

其中，m1為點(diǎn)云數(shù)據(jù)總誤差，md為儀器測(cè)距誤差，mβmβ為儀器測(cè)角誤差，S為測(cè)站與目標(biāo)間的水平距離。點(diǎn)云的位置信息對(duì)距離誤差影響較大。距離誤差不僅取決于所測(cè)目標(biāo)的距離，還受到測(cè)量次數(shù)的影響。距離越長(zhǎng)，誤差越大。測(cè)量次數(shù)越少，誤差越大。

Rigel VZ-400三維激光掃描儀的測(cè)距精度為3 mm+2 ppm，測(cè)角誤差最大不超過(guò)0.5″，測(cè)站距離目標(biāo)在100 m以內(nèi)。代入(2)式可得，m1=3.2 mm。

1.4.2三維建模誤差

根據(jù)建模應(yīng)用分析之后可得建模誤差m3分別為0.412 mm和0.030 mm。

根據(jù)誤差傳播定律可得，點(diǎn)位誤差的理論值為：

(3)

將以上數(shù)據(jù)代入(3)中，得m分別為5.62 mm和5.60 mm。

2建模結(jié)果及其應(yīng)用偏差分析

2.1 建模結(jié)果

基于由Rigel VZ-400掃描獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Geomagic Studio實(shí)現(xiàn)對(duì)震害受損建筑物進(jìn)行三維可視化建模。建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 震害受損建筑物三維可視化建模結(jié)果

2.2 模型的應(yīng)用分析

建模完成之后對(duì)模型進(jìn)行偏差分析，最大偏差分別為3.814 mm、-3.829 mm、1.425 mm、-2.076 mm。模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為為0.412 mm，0.030 mm。通過(guò)偏差計(jì)算得出，2個(gè)受損建筑精度分別為5.62 mm,和5.60 mm。對(duì)震后建筑物的重建不僅是形狀上的還原同時(shí)還對(duì)還原的精度進(jìn)行了計(jì)算和說(shuō)明，經(jīng)偏差分析表明，該模型可獲得較好的精度，并能夠很好地保存實(shí)體的災(zāi)害信息，從而實(shí)施三維可視化的瀏覽和定位量測(cè)。如圖3、圖4所示為偏差分析。

圖3 偏差分析a

圖4 偏差分析b

3結(jié)論

(1)以北川舊縣城遺址的部分震后建筑物為例，利用Rigel VZ-400三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，先后進(jìn)行了點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、特征點(diǎn)提取和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，利用Geomagic Studio完成了震后建筑物三維可視化建模，并進(jìn)行了偏差分析。

(2)三維激光掃描技術(shù)作為新興的技術(shù)手段，它在一定程度上可提高震害建筑物提取精度，同時(shí)還能較好地應(yīng)用于地震應(yīng)急與震害評(píng)估中，不僅可為之后的震后災(zāi)情研究提供有效而又豐富的實(shí)體信息，并可為地震災(zāi)害精準(zhǔn)評(píng)估及受損建筑物復(fù)原提供科學(xué)參考，還可為遙感應(yīng)急救援與評(píng)估增添新的可用數(shù)據(jù)源。