三維激光雷達在徽派建筑保護與修復中的應用

安徽建筑大學 祝飛野 汪 錚 范佳佳

三維激光雷達是新一代的測量利器，可以快速準確獲取空間三維信息，生成數字高程模型和空間三維點云數據，極大地方便了測量場景的三維重建，可以完成傳統測量手段無法完成的任務。本文基于SureStar公司旗下“R-Fans”系列的多款微型激光雷達，詳細闡述三維激光雷達在徽派建筑保護與修復工作中的應用，對目前從事徽派建筑維護工作的人員有較好的參考價值。

1 可行性分析

三維激光雷達作為新一代的掃描利器，可以通過位置、距離和角度等信息，快速準確的獲取空間三維信息，高效率完成測量場景的三維重建，同時激光雷達還可以和相機集成，生成三維空間的點云數據，更加直觀準確的發現徽派建筑中需要修復的部位，以及修復部件的尺寸屬性。三維激光雷達通過多條掃描線實現對目標的三維輪廓測量，和傳統的超聲波雷達、毫米波雷達相比，三維激光雷達才能真正算得上有雙智慧的“眼睛”。本文采用SureStar公司旗下“R-Fans”系列的多款微型激光雷達進行實驗，在不同的分辨率要求下，采用對應的設備，盡可能在保證分辨率的前提下，節能內存；同時R-Fans以其自身體積小、重量輕等多種優勢極易集成在無人機上，完成復雜情景狀態下的勘測任務。

2 “R-Fans”系列激光雷達的性能參數及優勢

三維激光雷達技術是一種新興的光電檢測技術，它利用激光原理獲取物體三維點云數據，本文用于實驗的雷達，是SureStar公司旗下的“R-Fans”系列激光雷達，“R-Fans”是一款輕便型雷達，它可以很好地集成在無人機上，輕易完成復雜情景的測量任務。再加上其測距長、重量輕、體積小等特點，用于徽派建筑的保護與修復工作有很多優點，具體如下：（1）R-Fans具有水平360°視場，視場寬闊，可以捕捉到全站儀無法捕捉的數據；（2）R-Fans有16線和32線兩種型號，可以適應不同的測量需求，以達到節省時間和優化內存的雙重要求，大大提高效率；（3）激光雷達不需要像傳統方法一樣布置圖像控制點，可以有效減少野外工作時間，避免安全隱患。

3 實驗設計

3.1 調查區域

本實驗選定的試驗區為黃山市歙縣棠樾牌坊群周邊約一公里輻射范圍，試驗區約在東經118°37′，北緯29°87′。這個村莊是典型的徽派建筑風格，傳統的青磚黛瓦馬頭墻隨處可見，遠看這些連綴在一起的古建筑，仿佛一幅自然生成的水墨畫；但是走近細看，這些現存的古建筑殘損情況嚴重，一些木質配件甚至已經腐朽。為了最大程度給后人留下這些珍貴的時代記憶，保護與修復徽派建筑的工作刻不容緩。

3.2 激光雷達實驗數據的采集

（1）航路規劃

無人機執行數據收集任務前，應該了解調查區域的詳細情況，包括周邊建筑的高度和密度、高壓電力線的分布和大型通信基站等信息。在保證空間航行安全的前提下，根據現場自然條件，設置無人機飛行路線。為了保證實驗得到較直觀的結果，現場收集的點云密度不小于100pts/m2，大致的航行高度設定為60m，線路重疊率約28%，線路總長度約為3.2km，飛行速度5.5m/s。另外在廊檐和建筑物內部等無人機的掃描盲區，設計車載激光雷達進行數據采集，用于對缺失數據的完善和補充。

（2）設置地面參考基站

本實驗使用IMU/GNSS輔助獲取三維激光雷達的點云數據。根據以往經驗，在平原地區，每個GNSS基準基站至少可以覆蓋4.5km的一級基準基站。本實驗把試驗區的參考基站設在距離已知測量點約2.5km的地方，并且遠離測量區域的中心點。測試面積無需過大，約選取0.6m2，就可以滿足建立一級基站的精度要求。所設定的參考基站采用靜態連續觀測模式，需要對數據進行采樣的頻率為1Hz，數據存儲格式為RINEX 3.02或HCN。在基準基站的數據采集過程中，為了保證基站數據的連續性和準確性，本實驗的數據采集人員實行了全程把手制度，可以及時有效的發現突發情況，并且及時處理。

（3）現場數據采集

本實驗以無人機采集的數據為主，車載激光雷達為輔。無人機具有多角度、全方位和視野范圍大等優勢，可以采集到本實驗所需的大部分數據，例如徽派建筑的大體輪廓和房屋特征等外圍細節；車載激光雷達采集的數據作為無人機數據的補充，例如廊檐遮擋住的木質構建和室內隱蔽部分的遺漏信息。

表1 點云坐標精度

表2 效率對比表

無人機初始化完成后，按下啟動鍵，這時無人機將自動進入預先設置的規劃航線中，進行規定任務的數據采集。在無人機飛行過程中，操作人員應該密關注無人機動態，嚴格確保數據的準確性和無人機的飛行安全。在無人機取得數據后，及時檢查飛行航線是否覆蓋全部調查區域，根據數據的完整性和航線的覆蓋率，來確定是否需要補充飛行。

所有的數據收集完成后，再次檢查數據的完整性和收集區域的完整性，出現任何問題及時解決，以免耽誤實驗進程。確保所有信息完整準確后，先對原始信息進行保存，并且做好安全備份，嚴防丟失和泄露。

3.3 數據處理

本實驗將激光雷達集成在無人機和家用汽車上進行數據采集，得到的數據，處理方法是一樣的，主要包括點云數據的預處理、點云與影像融合和GNSS參考庫數據轉換等步驟。

GNSS基準基站觀測使用R-Fans專用的雙頻多通道，使用數據分析軟件輸出參考基站觀測數據并且進行格式轉換。此過程主要包括對GNSS接收機天線高度的校正，掃描數據的格式設置和文件的格式轉換。

本實驗的數據精度，主要依賴于R-Fans的數據捕捉準確性和運行穩定性，本次測試使用R-Fans配套的實驗分析軟件2.1版本。點云數據預處理是對激光雷達采集到的點云數據進行變換，得到實驗所要求的對應的三維坐標信息。再對其中有用的信息進行點云與影像融合。瀏覽點云數據時，可以用不同的渲染方法來實現。

3.4 實驗結果驗證

徽派建筑是我們建筑史上的奇跡，也是我國傳統文化記憶中的瑰寶，所以徽派建筑的修復工作，要求也十分嚴格，本實驗要求測量精度各個角點作為邊界場地，應滿足要求點平面的均方誤差坐標≤5cm。在本實驗中，把傳統的GNSS和全站儀收集來的數據和激光雷達采集到的數據進行比對，來驗證實驗的準確性?？偣矊嵉厥占?0個檢查站的座標并以其作為真值進行檢驗，將兩者得到的數據導入到同一個系統中，對比結果如表1所示，其中有16個點的平面誤差小于5cm，4個點的平面誤差為大于5cm，平面均值平方誤差為±0.037m，完全滿足實驗的預期要求。

3.5 運行效率分析

為了評估三維激光雷達用于徽派建筑的修復與重建的效果，本實驗把傳統的方法和本實驗采取的方法進行對照，對采集工作中的工作量進行統計，并對工作量和效率進行了對比，比較結果如表2所示。

結論：激光雷達是新一代的測量利器，隨著時代發展，其待機長、精度高和穩定性強等優勢，已經慢慢凸顯。本文主要利用無人機集成的激光雷達進行實驗并且得到數據，輔以車載激光雷達進行采集，本實驗完整論述了激光雷達用于徽派建筑保護工程的可行性和優越性。在本實驗中，三維激光雷達得到的實驗結果，其均方誤差是0.037，遠低于傳統的均方誤差0.050，相較于傳統的方法，本實驗整體效率約提升8.4倍，效果明顯。