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(shù)字高程模型和空間三維點云數(shù)據(jù)，極大地方便了測量場景的三維重建，可以完成傳統(tǒng)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(shù)據(jù)，更加直觀準確的發(fā)現(xiàn)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(xiàn)對目標的三維輪廓測量，和傳統(tǒng)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(jié)能內(nèi)存；同時R-Fans以其自身體積小、重量輕等多種優(yōu)勢極易集成在無人機上，完成復雜情景狀態(tài)下的勘測任務。

2 “R-Fans”系列激光雷達的性能參數(shù)及優(yōu)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(shù)據(jù)，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(yōu)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(shù)據(jù)；（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(jié)省時間和優(yōu)化內(nèi)存的雙重要求，大大提高效率；（3）激光雷達不需要像傳統(tǒng)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(diào)查區(qū)域

本實驗選定的試驗區(qū)為黃山市歙縣棠樾牌坊群周邊約一公里輻射范圍，試驗區(qū)約在東經(jīng)118°37′，北緯29°87′。這個村莊是典型的徽派建筑風格，傳統(tǒng)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(xiàn)存的古建筑殘損情況嚴重，一些木質(zhì)配件甚至已經(jīng)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(shù)據(jù)的采集

（1）航路規(guī)劃

無人機執(zhí)行數(shù)據(jù)收集任務前，應該了解調(diào)查區(qū)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(jù)現(xiàn)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(jié)果，現(xiàn)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(nèi)部等無人機的掃描盲區(qū)，設計車載激光雷達進行數(shù)據(jù)采集，用于對缺失數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。根據(jù)以往經(jīng)驗，在平原地區(qū)，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(qū)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(qū)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(tài)連續(xù)觀測模式，需要對數(shù)據(jù)進行采樣的頻率為1Hz，數(shù)據(jù)存儲格式為RINEX 3.02或HCN。在基準基站的數(shù)據(jù)采集過程中，為了保證基站數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準確性，本實驗的數(shù)據(jù)采集人員實行了全程把手制度，可以及時有效的發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況，并且及時處理。

（3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本實驗以無人機采集的數(shù)據(jù)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(yōu)勢，可以采集到本實驗所需的大部分數(shù)據(jù)，例如徽派建筑的大體輪廓和房屋特征等外圍細節(jié)；車載激光雷達采集的數(shù)據(jù)作為無人機數(shù)據(jù)的補充，例如廊檐遮擋住的木質(zhì)構(gòu)建和室內(nèi)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(guī)劃航線中，進行規(guī)定任務的數(shù)據(jù)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(tài)，嚴格確保數(shù)據(jù)的準確性和無人機的飛行安全。在無人機取得數(shù)據(jù)后，及時檢查飛行航線是否覆蓋全部調(diào)查區(qū)域，根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收集完成后，再次檢查數(shù)據(jù)的完整性和收集區(qū)域的完整性，出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集，得到的數(shù)據(jù)，處理方法是一樣的，主要包括點云數(shù)據(jù)的預處理、點云與影像融合和GNSS參考庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析軟件輸出參考基站觀測數(shù)據(jù)并且進行格式轉(zhuǎn)換。此過程主要包括對GNSS接收機天線高度的校正，掃描數(shù)據(jù)的格式設置和文件的格式轉(zhuǎn)換。

本實驗的數(shù)據(jù)精度，主要依賴于R-Fans的數(shù)據(jù)捕捉準確性和運行穩(wěn)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(shù)據(jù)預處理是對激光雷達采集到的點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，可以用不同的渲染方法來實現(xiàn)。

3.4 實驗結(jié)果驗證

徽派建筑是我們建筑史上的奇跡，也是我國傳統(tǒng)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(tǒng)的GNSS和全站儀收集來的數(shù)據(jù)和激光雷達采集到的數(shù)據(jù)進行比對，來驗證實驗的準確性。總共實地收集了20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(shù)據(jù)導入到同一個系統(tǒng)中，對比結(jié)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(tǒng)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(tǒng)計，并對工作量和效率進行了對比，比較結(jié)果如表2所示。

結(jié)論：激光雷達是新一代的測量利器，隨著時代發(fā)展，其待機長、精度高和穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，已經(jīng)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(shù)據(jù)，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(yōu)越性。在本實驗中，三維激光雷達得到的實驗結(jié)果，其均方誤差是0.037，遠低于傳統(tǒng)的均方誤差0.050，相較于傳統(tǒng)的方法，本實驗整體效率約提升8.4倍，效果明顯。