航空傾斜攝影和三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的應(yīng)用

孟慶年，張洪德，門茂林，胡玉祥，孫曉麗

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；3.山東省海岸帶調(diào)查監(jiān)測工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266032)

1 概 述

古建筑的廣泛定義是指新中國成立前的建筑物，其中也包括民國時期的建筑物[1]。隨著人們對于古建筑所特有的科學(xué)、文化以及人文價值的認(rèn)可和重視，越來越多的古建筑開始得到保護(hù)和修繕[2]。在對古建筑進(jìn)行保護(hù)和修繕前，需要獲取古建筑的建筑圖紙等信息。而對于許多古建筑，沒有建筑圖紙或建筑圖紙早已丟失。因此，在進(jìn)行修繕前需要進(jìn)行詳細(xì)測繪，從而獲取古建筑的詳細(xì)信息。

目前，常用的測量方法主要有全站儀法、尺量法等，這些方法雖能夠進(jìn)行測量，但是對于面積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，測量效率低、獲取信息量有限，不能夠很好地滿足設(shè)計的需要。針對這些問題，使用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，三維激光掃描儀可以在短時間內(nèi)獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但是對于屋頂?shù)让^(qū)，則無法進(jìn)行測量。為了能夠獲取更加全面的數(shù)據(jù)，使用一種航空傾斜攝影與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，航空傾斜攝影可以在較短的時間內(nèi)獲得大面積的建筑物外部信息。綜合兩種方法的優(yōu)勢，將點(diǎn)云進(jìn)行融合，可以快速獲取更加全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)對實(shí)際案例的應(yīng)用，以三維激光掃描點(diǎn)云作為目標(biāo)點(diǎn)云，融合航空傾斜點(diǎn)云的頂部部分，融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)很好地滿足了相關(guān)的設(shè)計需求。

2 三維激光掃描方法

三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是測繪領(lǐng)域繼GNSS之后的又一飛躍性革命，相比于傳統(tǒng)測量方法，具有非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、實(shí)時性強(qiáng)以及自動化程度高等特點(diǎn)[4～6]。

(1)三維激光掃描儀外業(yè)流程

相比于全站儀等方法，三維激光掃描儀方法的外業(yè)操作更加簡便。在掃描作業(yè)前需要對掃描區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行踏勘，規(guī)劃合理的掃描路徑。三維激光掃描儀可以在短時間內(nèi)獲得大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)都是相對坐標(biāo)，為了獲取絕對坐標(biāo)，還需要在現(xiàn)場布設(shè)有絕對坐標(biāo)的標(biāo)靶。具體流程如圖1所示：

圖1 三維激光掃描儀外業(yè)掃描流程

在進(jìn)行建筑物掃描，并且需要絕對坐標(biāo)時，為保證測量的精度，應(yīng)在建筑物的四個或更多房角處布設(shè)帶絕對坐標(biāo)的標(biāo)靶。在對樓梯或相似度較高區(qū)域進(jìn)行掃描時，應(yīng)放置公共標(biāo)靶，為后續(xù)內(nèi)業(yè)提供參考。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

對外業(yè)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括配準(zhǔn)拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、噪聲去除、以及數(shù)據(jù)精簡等操作。

①配準(zhǔn)拼接。當(dāng)現(xiàn)場參考特征較多時，可以直接采用目視配準(zhǔn)的方法進(jìn)行配準(zhǔn)拼接。當(dāng)現(xiàn)場參考特征較少、場景相似度較高時，宜采用以布設(shè)的公共標(biāo)靶為參考進(jìn)行拼接。

②坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征標(biāo)靶的相對坐標(biāo)進(jìn)行提取，計算與絕對坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，對掃描點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

③噪聲去除。在使用三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描時，不僅僅只掃描建筑物，還包括樹木、車輛等其他目標(biāo)，這些目標(biāo)可能會對繪圖等造成影響。因此，需要對建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，去除其他無用部分。

3 航空傾斜攝影方法

采用直升機(jī)搭載AMC5150傾斜航攝儀完成對攝區(qū)的傾斜航空攝影，AMC5150系統(tǒng)由5臺大幅面PHASE ONE IXM-RS150F航空照相機(jī)組成，集成了Applanix POS AP20(IMU/GPS慣性導(dǎo)航系統(tǒng))，并使用FANS(Flexible Airborne Navigation System)作為飛行管理系統(tǒng)，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行影響匹配、空三加密、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作后[7，8]，可以得到航空傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖2所示)。具體流程如下：

AMC5150傾斜航攝儀技術(shù)參數(shù)表 表1

圖2 航空傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(1)利用傾斜航攝儀按規(guī)劃路線獲取測區(qū)的傾斜影像；

(2)利用航攝資料，采用RTK測量方法和基于POS系統(tǒng)的區(qū)域網(wǎng)空三方案，布設(shè)外業(yè)像片控制點(diǎn)；

(3)進(jìn)行空三解算，計算垂直攝影和傾斜攝影像片的外方位元素；

(4)導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

通過三維激光掃描儀可以快速地獲取建筑物的內(nèi)外部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但是對于建筑物屋頂?shù)让^(qū)則無法進(jìn)行測量。通過航空傾斜攝影可以在較短的時間內(nèi)獲得大面積的建筑物外部信息，但是接近地面的區(qū)域存在變形較大的情況(如圖3所示)。綜合兩種方法優(yōu)勢，將兩種方法獲取的點(diǎn)云進(jìn)行融合，可以快速獲取全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 航空傾斜攝影點(diǎn)云變形區(qū)域

將通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與經(jīng)過空三解算后得到的傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，理論上同坐標(biāo)系下的兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)會無縫地拼接在一起。但由于兩種數(shù)據(jù)的測量精度不同，因此無法較好地直接拼接在一起，這就需要進(jìn)行進(jìn)一步的融合。與傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比，三維激光掃描點(diǎn)云的絕對精度更高，因此以三維激光掃描點(diǎn)云作為目標(biāo)點(diǎn)云，對傾斜攝影點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。選擇兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)上的至少三個公共點(diǎn)，根據(jù)式(1)計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，將傾斜攝影點(diǎn)云轉(zhuǎn)換至三維激光掃描點(diǎn)云上。

(1)

式中，θ、φ、φ—X軸、Y軸、Z軸所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角；

△X、△Y、△Z—為位移參數(shù)。

5 案例分析

青島城區(qū)內(nèi)有許多里院建筑，是青島特有的傳統(tǒng)民居，具有較高的保存利用價值。經(jīng)多年的使用，已經(jīng)破敗不堪，為了能夠更好地保護(hù)有歷史價值的建筑物，需要進(jìn)行修繕。但是由于年代久遠(yuǎn)，建筑物的圖紙已經(jīng)丟失，為了能夠更好地滿足修繕需求，使用一種航空傾斜攝影與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的方法來進(jìn)行測量。

圖4 航空傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)

采用直升機(jī)搭載AMC5150傾斜航攝儀完成對本攝區(qū)的傾斜航空攝影，相對航高 319 m，保證航向重疊度大于80%，旁向重疊度大于75%。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于傾斜攝影點(diǎn)云靠近地面部分存在變形較大的情況，因此僅截取屋頂以及二層數(shù)據(jù)進(jìn)行使用(如圖4所示)。使用全站儀對部分尺寸進(jìn)行檢核(如表2所示)，根據(jù)對比分析結(jié)果，傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對精度較好，滿足繪圖要求。

全站儀與傾斜攝影所測建筑物尺寸對比分析表 表2

使用三維激光掃描儀對建筑物內(nèi)外進(jìn)行掃描，共觀測76站，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后得到最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖5所示)。使用全站儀對部分坐標(biāo)進(jìn)行檢核(如表3所示)，全站儀所測結(jié)果與三維激光掃描儀所測結(jié)果基本一致，但是三維激光掃描儀的測量效率更高，所測數(shù)據(jù)量更加全面。

圖5 三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

全站儀與三維激光掃描儀所測建筑物角點(diǎn)坐標(biāo)對比分析表 表3

在兩片點(diǎn)云數(shù)據(jù)上選擇公共點(diǎn)4個，以三維激光掃描點(diǎn)云作為目標(biāo)點(diǎn)云，對傾斜攝影點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，合并后得到融合點(diǎn)云(如圖6所示)。

圖6 航空傾斜攝影點(diǎn)云和三維激光掃描點(diǎn)云融合數(shù)據(jù)

對點(diǎn)云數(shù)據(jù)做切片，繪制得到立面圖以及剖面圖(如圖7所示)，共繪制分層平面圖3份、立面圖3份、剖面圖6份，很好地滿足了相關(guān)的設(shè)計工作。

6 結(jié) 論

古建筑是勞動人民的偉大創(chuàng)造，是人類文明和智慧的實(shí)體化。隨著時間的流逝，許多古建筑開始出現(xiàn)破敗跡象，急需保護(hù)和修繕。而對古建筑物進(jìn)行保護(hù)和修繕的重要前提，是對古建筑圖紙等基礎(chǔ)測繪資料的獲取。常規(guī)的測量方法效率低下，并且獲取數(shù)據(jù)量有限，不能很好地滿足相關(guān)設(shè)計的使用需求。三維激光掃描儀方法和航空傾斜攝影方法各有優(yōu)劣，三維激光掃描儀方法能夠快速準(zhǔn)確地對建筑物內(nèi)外(除屋頂?shù)让^(qū))進(jìn)行測量，航空傾斜攝影方法能夠快速對屋頂點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，綜合兩種方法可以快速獲取更加準(zhǔn)確、全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)對實(shí)際案例的應(yīng)用分析，航空傾斜攝影獲取的建筑物頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對精度較好，三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)絕對精度較好，通過將兩種點(diǎn)云進(jìn)行融合，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠很好地滿足設(shè)計的使用需求，保障了修繕的順利進(jìn)行。

圖7 融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制圖形