基于地面LiDAR的蘇式庭院三維重建

成余剛,吳正偉,周 益

(1.南京工業(yè)大學測繪科學與技術學院，江蘇 南京 211816；2.泰州市地理信息測繪院，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

平面圖和剖面圖作為描述建筑物內部結構和位置布局的空間數據應用十分廣泛，傳統的建筑物平立剖繪圖，主要采用全站儀、RTK等全野外數字采集，加以皮尺、手持測距儀輔助測量來實現。該方法存在工作量大、作業(yè)方式不靈活、效率低等缺點。無人機傾斜攝影測量在高大建筑物立面的測繪中得到廣泛應用，正射影像信息全面、容易獲取，但是也有受遮擋嚴重影響精度不高，建筑物內部結構數據并不完整，城區(qū)無人機空域限飛等問題。激光雷達技術作為一種新興的主動遙感技術，能快速、精準地獲取目標對象豐富的紋理信息和三維空間結構參數。特別地，地面三維激光掃描具有主動性強、操作方便、信息量大和建模速度快等特點，能夠靈活運用在室內外測圖和建模中。龍潤澤等[1-2]介紹了三維激光掃描技術在建筑物平面圖生產中的應用，主要應用在混凝土建筑的測量，只是簡單測出墻體輪廓。張立等[3-6]總結了三維激光掃描技術在建筑物立面測量作業(yè)流程和精度分析，通過實例分析驗證了該技術在建筑立面測量的可行性。梁晨等[7-8]采用三維激光掃描儀采集點云數據，利用建模軟件建立建筑物三維模型，闡釋了三維模型可直觀地展現建筑物各個側面和構造的優(yōu)勢。大量學者利用三維激光掃描繪制建筑物立面和建模，僅用地面三維激光掃描儀難以得到全面的建筑物數據，采用無人機結合地面三維激光掃描儀提高了掃描覆蓋率，但由于不同源點云難以融合，只能合并各自的二維矢量成果，無法直接利用點云建立完整三維模型。

本文以上海市松江區(qū)某蘇式建筑風格庭院為研究對象，探討基于三維激光掃描技術的蘇式庭院三維建模方法，研究外業(yè)數據采集、點云數據處理、三維重建、精度評定以及建筑物平面圖、立面圖、剖面圖的繪制和模型重建等作業(yè)流程和步驟，以期形成一套完整和高效的蘇式庭院三維重建方法。

1 研究區(qū)選取及數據采集

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為上海市松江區(qū)某蘇式風格古建筑，經現場踏勘，該宅院位于園區(qū)內部，分為三個板塊共計1.5 km2，中間主體為遷建過來的蘇式風格的庭院古建，面積不大但講究亭臺軒榭的布局，新建鋼結構玻璃房、鋁格柵吊頂等建筑，功能間較多，內部狹窄復雜，屋頂遮擋嚴重。

1.2 研究目的和流程

本項目需要對庭院做整體測量，供設計師設計圖紙做參考，包括建筑物的平面位置、房屋高度、長度、寬度、門窗尺寸、滴水投影線、屋檐高度、屋脊輪廓，需繪制建筑物的平面圖、立面圖和剖面圖。利用常規(guī)的測繪手段短時間內難以完成對建筑物復雜內部結構的測量，無人機作業(yè)存在空域限飛、建筑內部數據缺失等情況，因此采用地面三維激光掃描技術進行全方位建筑測圖。經過前期的現場踏勘，了解建筑物特征并收集資料，編寫方案設計，然后現場掃描，內業(yè)數據處理得到庭院點云數據。蘇式庭院中間主體為古建筑，為滿足客戶三維可視化展示和數字化存檔的需要，進行蘇式庭院的三維實體重建，包括二維矢量提取、三維幾何建模和紋理貼圖。具體實現流程如圖1所示。

圖1 蘇式庭院三維建模流程

1.3 外業(yè)數據采集

外業(yè)數據采集分為方案設計和現場作業(yè)，方案設計是作業(yè)前的規(guī)劃，包括根據掃描對象特征選擇采集方法和架站方式、規(guī)劃掃描路線和控制點選址；現場作業(yè)包括依據路線依次掃描和控制測量。為了控制誤差的積累，保證測圖的精度，提高現場作業(yè)的流暢度，外業(yè)數據采集遵循由整體到局部，先控制后碎步的原則[10]。其次基于建筑室內室外空間大小變換頻繁，內部分布玻璃房、頂部遮擋嚴重等情況，需要考慮室內外、屋頂與地面的聯系。

1.3.1 點云數據采集方法

根據作業(yè)目的和用途，結合掃描目標特征選擇不同的作業(yè)方式。此蘇式庭院主體90%是磚木結構房屋組合而成，局部是玻璃材質，采集方法分為主體掃描和局部掃描。

(1)主體掃描。建筑整體含有豐富的軟件容易擬合的特征點，如房屋角點、頂點、柱體的軸心線、棱線、人工建筑的表面等。所以主體點云獲取采用基于地物特征點拼接的數據采集方法。

(2)局部掃描。蘇式風格的建筑中新建了幾處鋼結構玻璃房屋，中間功能廳位置用玻璃吊頂，玻璃對激光產生折射和穿透，屋頂結構遮擋嚴重，采用特征點擬合誤差較大無法完成拼接。人工靶球不受玻璃折射和穿透的影響，可實現相鄰測站的快速拼接，因此這些位置采用基于標靶的數據采集方法。

1.3.2 架站方式

根據儀器類型和建筑特征采用掃描儀任意設站、多站拼接的方式。基準站與其前后站組成掃描作業(yè)單元，假定掃描儀下一站方向為掃描前進方向，基準站與前一站連接標靶稱為前視標靶，基準站與后一站連接標靶為后視標靶，前后視標靶均為3個，類似水準測量的方式搬站依次掃描。特殊地，為了采集屋頂的數據得到庭院完整點云，設計出地面與屋頂掃描作業(yè)單元如圖2，圖中A1為地面測站，A3為屋頂測站，范圍最廣的A2為升降機空中測站，3個測站實現地面與屋頂的聯系。

圖2 地面與屋頂聯系掃描作業(yè)單元

作業(yè)時，在地面和屋頂分別布置3個靶球，利用升降機將掃描儀升到屋頂斜上空，注意掃描儀和最遠標靶之間距離小于掃描站有效掃描距離，升降機平穩(wěn)時伺機開始掃描，儀器自動監(jiān)測傾斜超限，若超限會終止掃描。

1.3.3 架站數量

掃描前對架站位置和行進路線初步設計，掃描時根據情況做出調整。按照大空間轉小空間架設3站，中間連接處加1站，相鄰測站之間通視并有至少30%重疊度，測站間距為有效掃描距離一半的原則。

1.3.4 掃描站設置

配置文件選擇室外有效掃描距離20 m，分辨率根據室內和室外空曠不同做出調整；傳感器選擇傾角儀；為節(jié)約掃描時間關閉彩色掃描；全景式掃描，單站獲取水平0～360°，垂直-60～90°的視場范圍。

1.3.5 控制測量

庭院周圍空曠，直接用RTK測量控制點，將棋盤靶紙貼在便攜的記錄板上作為棋盤板目標，如圖3所示，此棋盤板目標在點云中很容易擬合得到十字交叉點坐標。在設計方案時布設5個控制點均勻分布在測區(qū)，掃描儀掃到控制點所在測站，將棋盤板目標放置在激光束入射角大于45°位置，先用RTK測量十字交叉點在上海2000平面坐標系下的坐標，然后完成掃描儀采集。這樣控制測量和掃描同步進行，避免了控制點被移動帶來的誤差和復測，一個人即可完成測量，提升了工作效率。

圖3 便攜棋盤板目標

2 點云數據處理

點云數據的處理包括注冊掃描、坐標轉換和點云過濾。

2.1 注冊掃描

三維激光掃描儀每一測站數據是以掃描儀位置和姿態(tài)有關的儀器坐標系為基準，三維模型的重構要求將不同測站的掃描數據變換到整體坐標系下，拼接成完整點云的過程稱為注冊掃描。掃描儀上的多種傳感器起到初始布置掃描的作用，但需要進一步執(zhí)行掃描注冊以獲得測站之間更精確的空間關系。注冊掃描有3種方式，分別為基于目標注冊、基于俯視圖注冊和基于云際注冊。

基于目標注冊適用于基于標靶的數據采集方式的測站，在測站之間均勻且高低有秩地架設3個靶球，完成數據采后，在SCENE軟件中使用對象標記工具提取靶球，基于目標注冊掃描將人工目標連接的不同測站拼接到一起。特殊地，利用升降機升高掃描儀，實現地面與屋頂點云的拼接，效果如圖4所示。

圖4 地面與屋頂注冊效果圖

基于俯視圖是最為常用的掃描注冊方法，依賴掃描對象豐富的點、線、面等特征點，相鄰測站有30%以上的重疊度，自動擬合特征點并計算出測站點云群集間近似的旋轉平移矩陣，實現快速注冊。

基于目標注冊和基于俯視圖注冊是粗配準，相比前兩者基于云際是精配準，基于云際注冊掃描的前提是完成粗配準的預先注冊掃描。通過最小二乘、最近點迭代等方法計算得到更加精確的旋轉平移矩陣[10]，實現較高精度注冊的完整點云。

2.2 坐標轉換

為了能與基礎地形圖接邊，使其更好應用到測量領域，點云通常需要增加地理參考。將控制點坐標按規(guī)格錄入測量數據外部參考文件，在SCENEN軟件中將拼接好的點云數據鎖定掃描，并在控制點所在的測站提取其位置，導入控制點坐標參考文件基于目標更新注冊，軟件平差算得轉換參數，將相對獨立坐標系下的點云轉換到上海2000坐標下。

2.3 點云過濾

點云過濾包括數據降噪和抽稀，掃描時不可避免的存在噪聲點，影響特征點擬合精度?；诙喾N過濾器對點云去噪，主要包括異常值過濾、深色掃描點過濾、離群點過濾和基于距離過濾。完成注冊和坐標糾正之后，采用人機交互的方式進一步降噪，利用多邊形、矩形選擇器等多種方式手動選擇噪聲點，并將多余的部分剔除。

為防止點云切片轉換二維圖形的過程中因密度過大導致矢量數據模糊難以辨認模型，需要對點云抽稀。具體操作為：將點云數據導入CloudCompare軟件，降采樣進行抽稀處理。

3 基于激光點云的三維重建

測繪領域的三維重建通常需要參照實際，將點云轉成建模軟件支持的數據格式直接參照，或將點云切片，基于切片進行二維矢量制圖，然后三維建模和紋理映射。

3.1 二維矢量制圖

準確獲取建筑物室內外截面信息是提取墻體輪廓線的基礎。PointCab3.8軟件是一款強大的點云數據處理軟件，對多源點云在短時間內不受限制的生成平面圖、剖面圖的正射影像，生成CAD系統支持的切片文件。

建筑物二維矢量信息的提取主要包括建筑物平面位置關系和立面幾何尺寸信息、內部細部幾何尺寸和頂部水平位置投影線3個部分。對不同位置不同厚度的切片文件進行參照，依據建筑標準化制圖化規(guī)范、結合設計師需求，利用AutoCAD軟件平臺的平面制圖功能分別繪制出測區(qū)建筑物的平面圖、立面圖和剖面圖。在清華山維EPS中利用點云數據很容易提取地形數據結合前面的平面圖繪制總平圖。

3.2 三維建模

將二維矢量圖導入3d MAX軟件，借助輪廓線進行實體建模。由于蘇式庭院含有古建筑的屋頂，飛檐斗拱，建模相對復雜，使用Autodesk Recap將點云數據轉換為*.rcs格式，導入3d MAX軟件作為參考，在幾何建模過程中將數以整體的部分作為群組，構造相同三維部分生成組件庫，逐步構建庭院各部件白模，之后統一各部件的坐標系組成一個完整的蘇式庭院模型。

3.3 紋理映射

紋理映射是生成真實感三維模型的關鍵步驟。在白模的表面賦予現實的紋理貼圖可使模型更加逼真。通過映射增加了模型的質感。本文所使用的紋理貼完圖示采集的建筑物的現場照片，通過Photoshop軟件的剪貼、修圖、亮度、色彩度平和等功能，統一貼圖的色調，糾正紋理，給建筑物各部分指定材質，通過調整材質球參數實現透明貼圖。

在3d MAX中通常利用UVW貼圖，通過調整紋理的U、V、W參數使紋理的大小與幾何表面相對應。圖5為蘇式庭院整體的三維實體模型。

圖5 蘇式庭院三維模型

4 精度分析

為了表征測量精度，確保成果符合規(guī)范，選擇二維矢量圖的尺寸誤差和點云數據的點位中誤差為精度分析指標。

(1)尺寸誤差。為檢驗基于點云數據獲取的建筑物尺寸信息的準確性，本文通過基于地面三維激光掃描的點云數據獲取的建筑物尺寸Di與實地測量獲取的尺寸Si進行對比，由公式(1)和(2)計算尺寸偏差。

Δi=Si-Di

(1)

E(Δi)=1/n·∑|Δi|

(2)

并以偏差統計的方式對建筑物二維信息的獲取進行相對精度評定(表1)。

表1 平/立/剖繪圖精度評定統計表

由表1可知，通過對12個樣本尺寸的統計，基于地面三維激光掃描和點云切片二維信息提取和繪圖的精度平均可達1.3 cm。

(2)點位中誤差。選擇均勻分布在測區(qū)的11個同名檢核點，通過RTK和全站儀實測坐標并記錄到“實測坐標”欄，然后在點云模型中獲取同名點的全局坐標，并記錄到“掃描儀坐標”欄，接著逐個計算二者的X、Y、Z差值ΔX、ΔY、ΔZ。計算結果如表2所示。

表2 實測與掃描儀同名點坐標對比單位/m

選取掃描區(qū)均勻分布多個同名檢核點評定點云數學精度，計算公式為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σX、σY、σZ為同名檢核點在X、Y、Z軸方向上的中誤差；n為同名檢查點數目；σ為平面中誤差。

通過計算得：檢核點的平面位置中誤差為±2.5 cm，高程中誤差為±1.9 cm。由評定尺寸誤差和點位中誤差結果可知，點云平面位置及高程精度均滿足《工程測量規(guī)范》主要建(構)筑物平面點位中誤差±5 cm，高程中誤差±2 cm要求，基于此點云繪制的建筑物平、立、剖面圖結果可靠，是獲取庭院建筑內部結構和位置布局行之有效的方法，完全適用于三維建模的底圖參考，使得模型具有更高的可靠性和真實性。

5 結 語

本文采用地面三維激光掃描儀獲取了庭院室內外數據，并根據掃描對象不同特征選擇特定的采集方式，利用升降機平臺將掃描儀架設到空中，采集了測區(qū)相對完整的點云，方便后續(xù)二維矢量數據制作和建模，彌補了地面三維激光掃描儀掃描時建筑物頂部信息缺失嚴重的不足，為采集建筑物死角信息提供了新方法。通過外業(yè)數據獲取、內業(yè)數據處理、基于激光點云的三維重建和精度評定四大環(huán)節(jié)的研究，驗證了采用該方法對蘇式風格庭院建筑三維建模效果理想，符合規(guī)范。與傳統的測繪方式相比，地面三維激光掃描技術降低了外業(yè)作業(yè)強度，將測量的難度轉移到內業(yè)的數據處理環(huán)節(jié)[9]。但是，本文為了得到建筑物較為詳細完整的信息，測站數較多，增加了內業(yè)的工作量，如何用更少的測站得到更完整的信息以及如何利用多源點云數據建立三維模型并展示發(fā)布，是后續(xù)進一步的研究方向。