三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應(yīng)用*

蔣江生，楊元興

( 浙江省測繪大隊(duì)，浙江 杭州 310030)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用已發(fā)展了近十年，它具有快速性、主動(dòng)性、非接觸性、全天候、高密度等傳統(tǒng)測繪技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，極大地改善了外業(yè)測繪的工作環(huán)境，提高了工作效率。但由于三維激光掃描技術(shù)長期被國外少數(shù)大公司所壟斷，如Leica、Riegl、Trimble、Optech、FARO 等，導(dǎo)致國內(nèi)價(jià)格昂貴，只有少數(shù)測繪單位和大專院校才有能力購買。另外雖然極大地提高了外業(yè)測繪的工作效率，但是室內(nèi)對(duì)于海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)卻一籌莫展，無法處理成自己所需要的矢量數(shù)據(jù)，極大地限制了這項(xiàng)高新技術(shù)的普及。

筆者從事Leica 三維激光掃描一年多，經(jīng)過大量項(xiàng)目實(shí)踐，認(rèn)為直接通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模是一件非常困難的事情，目前現(xiàn)有軟件還無法做到一步到位，且大部分用戶還要求提供常規(guī)的立面圖，所以立面圖測繪是三維激光掃描測繪項(xiàng)目中一個(gè)極其重要的基礎(chǔ)性工作，本文基于Leica C10 三維激光掃描儀和Cyclone 軟件及其AutoCAD 插件CloudWorx，通過實(shí)例闡述三維激光掃描內(nèi)外業(yè)作業(yè)的一般流程，重點(diǎn)闡述在Cloud-Worx 中快速精確繪制立面圖的方法。目的是為廣大測繪工作者研究和處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供借鑒。

1 作業(yè)流程

三維激光掃描測繪項(xiàng)目的作業(yè)流程與傳統(tǒng)測繪作業(yè)流程類似，遵循先控制后碎部、先整體后部局、先外業(yè)后內(nèi)業(yè)的要求。其作業(yè)流程，如圖1 所示。

2 外業(yè)掃描

圖1 三維激光掃描測量的作業(yè)流程圖Fig．1 The work flow of 3D laser scanning measurement

各品牌的掃描儀所提供的作業(yè)方式不盡相同，但都要經(jīng)過對(duì)中、整平、定向和掃描等步驟。Leica C10 提供了與全站儀一致的觀測與定向模式，包括后方交會(huì)、已知測站點(diǎn)和定向點(diǎn)坐標(biāo)、已知測站點(diǎn)坐標(biāo)和定向方位角等模式。采用這幾種模式定向掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以自動(dòng)拼接到同一個(gè)正確的坐標(biāo)系下，不需要其它軟件進(jìn)行后期拼接工作。掃描儀支持通過軟件和電纜線把控制點(diǎn)坐標(biāo)批量導(dǎo)入，減少外業(yè)工作量，提高工作效率，還避免了人工輸入可能帶來的錯(cuò)誤。

在控制點(diǎn)不足的情況下，Leica C10 掃描儀還提供了多種擴(kuò)展控制點(diǎn)的方法，如前方交會(huì)法、后方交會(huì)法以及支導(dǎo)線法。特別是支導(dǎo)線法，由于只要觀測一個(gè)標(biāo)靶，所以效率是各種方法中最高的，對(duì)于一般的地形、地籍和工程測量，完全滿足測繪精度需要，其觀測精度大大高于全站儀支導(dǎo)線的精度。

Leica C10 掃描儀提供3 種掃描模式，即粗模、中模和精模。粗模掃描速度最快，只要2 min即可掃描完一個(gè)站，但點(diǎn)云的密度比較稀，適用于測土方、礦山等點(diǎn)位密度要求不高的項(xiàng)目;精模掃描速度最慢，需要十幾分鐘時(shí)間，掃描的點(diǎn)位密度可手工設(shè)置，最小可以設(shè)置為1 mm，適用于古建筑、文物、雕像等建模要求精細(xì)的項(xiàng)目;一般普通的項(xiàng)目均采用中模方式進(jìn)行掃描，5 ～6 min即可完成掃描，點(diǎn)位密度完全滿足作業(yè)要求。

3 點(diǎn)云處理

點(diǎn)云處理包括點(diǎn)云的拼接、點(diǎn)云的合并、去噪、分割和統(tǒng)一化抽稀，所有這些工作均可在Cyclone 軟件中完成。

3．1 點(diǎn)云的拼接與合并

為了全覆蓋、全方位測繪一個(gè)測區(qū)或物體，需要設(shè)置多個(gè)測站，在各個(gè)測站上獨(dú)立掃描，最終需要把各個(gè)測站的掃描數(shù)據(jù)拼接到一起得到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

雖然各測站的點(diǎn)云都拼接到同一數(shù)據(jù)庫內(nèi)，但各個(gè)測站的點(diǎn)云還是一個(gè)獨(dú)立的塊，這需要通過Merge 命令進(jìn)行合并。

3．2 點(diǎn)云的去噪

三維激光掃描所見即所得，視場內(nèi)所有能反信號(hào)的物體均被掃描儀所獲得，其中包括大量的項(xiàng)目不需要的點(diǎn)云，統(tǒng)稱為噪點(diǎn)，包括行人、車輛、草地、樹木以及水面倒影和太陽的光暈。這些點(diǎn)不但增加了數(shù)據(jù)的容量，還嚴(yán)重影響對(duì)地物特征點(diǎn)、線的判別，所以要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪。目前軟件還不具備自動(dòng)去噪的能力，主要是依靠人工通過不斷變換視點(diǎn)的方法把不需要的點(diǎn)云刪除。在去噪時(shí)，視圖應(yīng)設(shè)置成正射模式，不能設(shè)置為透視模式，這樣就不會(huì)誤刪。

圖2 點(diǎn)云拼接Fig．2 Registration of point clouds

3．3 點(diǎn)云的分割與抽稀

雖然經(jīng)過了點(diǎn)云的去噪，刪除了許多無用的噪點(diǎn)，但多站數(shù)據(jù)拼接后，數(shù)據(jù)庫依然非常龐大，采用粗模方式掃描，每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)在50 萬左右;中模方式掃描，每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)在500 萬左右;精模方式根據(jù)其設(shè)置的密度不同，數(shù)量不少于5 000萬。對(duì)于如此龐大的數(shù)據(jù)量，一般的計(jì)算機(jī)是沒辦法處理的。針對(duì)這個(gè)問題，可采用兩種方法來解決，即分割與抽稀。

分割就是把一個(gè)大測區(qū)分割成若干個(gè)小測區(qū)，達(dá)到減少點(diǎn)云數(shù)量、提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率的目的，Cyclone 軟件提供了兩種方法:第一種通過Segment Cloud 命令把一個(gè)完整的點(diǎn)云分割成若干個(gè)相互獨(dú)立的點(diǎn)云塊，可對(duì)單個(gè)塊進(jìn)行編輯和操作，其它塊不會(huì)參與運(yùn)算，這樣達(dá)到提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率的目的;第二種也是最常用最有效的方法，可以把需要的部分點(diǎn)云拷貝到一個(gè)新的模板空間中，軟件在新模板與原模板之間自動(dòng)產(chǎn)生鏈接，在新模板空間中進(jìn)行編輯和操作點(diǎn)云，不影響原數(shù)據(jù)庫中的點(diǎn)云，但矢量化的圖形可自動(dòng)更新到原數(shù)據(jù)庫中，通過這種方法可以很方便地分割點(diǎn)云，如在建筑立面測繪項(xiàng)目中，就可以以幢為單位，將每幢房屋拷貝為一個(gè)模板空間，如圖3 所示。

圖3 點(diǎn)云分割Fig．3 Segmentation of point clouds

經(jīng)各站點(diǎn)云拼接后的數(shù)據(jù)庫，許多地方有重復(fù)掃描，導(dǎo)致點(diǎn)云密度不均，另外數(shù)據(jù)庫經(jīng)過一段時(shí)間操作后(如去噪、編輯等)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度會(huì)下降，這時(shí)就需要對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行抽稀(統(tǒng)一化)操作。

抽稀就是按照用戶的要求對(duì)點(diǎn)云密度進(jìn)行減少，可以達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)庫、提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行效率的目的。如果要在CloudWorx中操作數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫必須先經(jīng)過抽稀(統(tǒng)一化)操作。Cyclone 軟件提供了一個(gè)Unify Clouds 命令來完成抽稀(統(tǒng)一化)功能，如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)云抽稀Fig．4 Point cloud reduction

4 CloudWorx 立面繪制

4．1 CloudWorx 介紹

CloudWorx 是Leica 公司開發(fā)的一個(gè)基于AutoCAD 環(huán)境下的插件，使用戶在熟悉的作業(yè)平臺(tái)下處理點(diǎn)云，還可以利用AutoCAD 強(qiáng)大的繪圖、編輯和三維建模功能。

4．2 立面繪制方法

傳統(tǒng)立面繪制方法是外業(yè)采用鋼尺或手持測距儀或全站儀丈量房屋長寬高，以及東南西北4 個(gè)方向上所有門窗的相對(duì)尺寸大小，然后內(nèi)業(yè)以每個(gè)方向的房屋面作為獨(dú)立坐標(biāo)系，根據(jù)外業(yè)丈量的尺寸在CAD 中繪制出來?；谌S激光掃描技術(shù)的建筑立面測繪基本方法和流程與傳統(tǒng)方法相似，但比傳統(tǒng)方法效率更高、質(zhì)量更好。

4．3 立面繪制過程

4．3．1 打開點(diǎn)云模板空間

在CloudWorx 插件中可以打開經(jīng)過分割和抽稀的點(diǎn)云模板空間，使得AtuoCAD 具備了處理上千萬點(diǎn)云數(shù)據(jù)的能力。在打開選項(xiàng)中單位要選擇m(Meters)，如圖5 所示。

4．3．2 建立獨(dú)立坐標(biāo)系

對(duì)點(diǎn)云模板空間建立獨(dú)立坐標(biāo)系是整個(gè)立面測繪中最關(guān)鍵的過程，獨(dú)立坐標(biāo)系的質(zhì)量決定了測繪成果的質(zhì)量。具體步驟如下:

第一步，在三維正視圖中做Y 軸的切片，切片的位置選在點(diǎn)云比較稠密、連續(xù)處，不宜太厚，一般50 cm 以內(nèi);

第二步，在府視圖中根據(jù)點(diǎn)云畫房屋外軸線;

第三步，對(duì)軸線進(jìn)行點(diǎn)云擬合，CloudWorx 提供了一個(gè)擬合功能，使擬合后的軸線與切片的中心線重合，如圖6 所示;

第四步，用UCS 命令定義軸線坐標(biāo)系，并命名保存坐標(biāo)系;

第五步，在視圖管理器中，預(yù)設(shè)視圖為相對(duì)于剛保存的坐標(biāo)系。

圖5 打開點(diǎn)云模板空間Fig．5 Openning of modelspace view of point cloud

圖6 擬合點(diǎn)云Fig．6 Fitting of point cloud

4．3．3 立面切片

由于點(diǎn)與點(diǎn)之間有空隙，在正視圖和后視圖中，前后的點(diǎn)云會(huì)重疊在一起，造成視覺混亂;在左視圖和右視圖中，也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。為了消除前后點(diǎn)云對(duì)視覺的影響，可以采用切片的方法解決。切片后的立面點(diǎn)云，如圖7 所示。

4．3．4 立面圖繪制

圖7 切片點(diǎn)云Fig．7 Cut point cloud

立面切片后所得到的是一張正射影像圖，每個(gè)像素就是一個(gè)帶有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云，點(diǎn)云的顏色可以設(shè)置成掃描時(shí)的反射率和灰度，如掃描時(shí)拍攝了彩色照片，也可把彩色照片擬合到三維點(diǎn)云上，使點(diǎn)云具有真彩色，從而提高內(nèi)業(yè)作業(yè)員判別特征點(diǎn)、線的能力。

有了立面切片圖，內(nèi)業(yè)作業(yè)員即可方便直觀地根據(jù)影像繪制立面圖，如圖8 所示。

5 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)非常適宜于建筑立面測繪，不僅可以提高外業(yè)測繪的工作效率，大大減輕外業(yè)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善外業(yè)作業(yè)的工作環(huán)境，還可以提高內(nèi)業(yè)的工作效率和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，值得推廣。

圖8 立面圖Fig．8 Elevation view

［1］ 周俊召，鄭書民，胡松，周建波．地面三維激光掃描在石窟石刻文物保護(hù)測繪中的應(yīng)用［J］．測繪通報(bào)，2008(11):68 -69．

［2］ 馬立廣．地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用［J］． 地理空間信息，2005，3(3):60 -62．