基于空間精確定位的園林假山沉降監(jiān)測研究

蘭志成， 仇亞進， 奚雪峰*， 崔志明， 胡伏原

（1.蘇州科技大學 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市虛擬現(xiàn)實智能交互及應用技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州科技大學 智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009）

作為古典園林不可或缺的元素，假山鐘天地之靈秀兼歷史文化之積淀，因其特有的風格與較高的藝術(shù)造詣而在世界上獨樹一幟，但同時面臨隨時間遷移而損壞的問題。 傳統(tǒng)假山在經(jīng)過不斷保護與修復得以存留至今，因此假山的保護與修葺工作應當慎重。 為避免假山損壞帶來的文化損失以及安全隱患，對假山進行變形監(jiān)測顯得尤為重要，同時，也可以將監(jiān)測的變化作為修葺依據(jù)。 過去對建筑物表面測量結(jié)合卷尺、測距儀以及非棱鏡全站儀對待測建筑物關(guān)鍵位置的空間點坐標進行采集，測量得到詳細數(shù)據(jù)，最后由人工繪制平面圖[1]。但這種方法往往效率偏低并且采集數(shù)據(jù)有限，無法對假山整體變化進行有效測量。隨著攝影測量技術(shù)、遙感技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)等新型監(jiān)測技術(shù)的不斷更新發(fā)展，傳統(tǒng)測量技術(shù)的許多不足之處得到彌補與解決[2-6]。 其中，基于空間精確定位的方法利用三維激光掃描測量技術(shù)無需使用卷尺等低精度測量工具提取監(jiān)測物的位置信息，對監(jiān)測物實現(xiàn)高密度、非接觸、高精度、高效率的掃描，并且可以使用計算機對采集到的點云數(shù)據(jù)進行處理，避免了以往人工對監(jiān)測物表面測量時出現(xiàn)的漏測、錯測、效率低等弊端，因此適用于各種建筑物表面的測量，被廣泛應用于各種工程建設領(lǐng)域[7-10]。 葛紀坤等[11]以基坑及四周圍護墻體的整體變形作為研究對象，利用三維激光掃描技術(shù)對基坑圍墻的2D 局部和3D 整體變形進行監(jiān)測研究。 楊永林等[12]采用三維激光掃描技術(shù)對萬壽寺古塔進行變形監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)方法測量精度低而且過程復雜的問題。 司夢元等[13]將三維激光掃描技術(shù)應用于高速公路高邊坡的變形監(jiān)測，實現(xiàn)對邊坡失穩(wěn)破壞狀況的提前預警。

根據(jù)各種工程領(lǐng)域?qū)⑷S激光掃描技術(shù)應用于變形監(jiān)測的結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)可以彌補傳統(tǒng)變形監(jiān)測的不足。 為此提出一種基于三維激光掃描的園林假山測量方法，對假山及其表面樹木的空間位移趨勢進行監(jiān)測，利用三維激光掃描儀采集到的不同時期點云數(shù)據(jù)，對兩期點云數(shù)據(jù)進行配準分析，實現(xiàn)對假山整體空間位移變形以及樹木水平位移變形的監(jiān)測分析，以期為園林假山的修葺加固工作提供參考。

1 三維激光掃描

1.1 架站式三維激光掃描

架站式三維激光掃描儀是目前最常使用的三維激光掃描儀，由高脈沖速率激光測距儀和定向反射鏡組成，從而準確地測量激光頭到目標的距離，然后根據(jù)反射鏡角度計算檢測目標的三維坐標[14]。 三維激光掃描儀使用反射激光脈沖技術(shù)來準確地創(chuàng)建掃描對象的數(shù)字模型，在幾秒內(nèi)可以獲得幾千到幾萬個包含空間坐標信息的點[15]。

1.2 研究對象概況

論文以蘇州市環(huán)秀山莊假山為研究對象。環(huán)秀山莊是以湖石、假山為主的一處古典園林，建造時間可追溯到晉朝時期，1988 年2 月被列為全國重點文物保護單位。假山占據(jù)全園三分之一的面積，被池水分為主峰與次峰兩個部分。假山主峰包括前后兩部分，中間有一米左右幽谷，假山內(nèi)部鏤空，有兩處石屋，外表與自然真山相仿。假山主峰高約7.2 m，山徑長約60 m。

1.3 施測流程

針對園林假山獨有的構(gòu)造，需要對假山整體進行實地考察，并按照實際需求充分發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)快速、 高精度以及非接觸測量的優(yōu)勢，其施測流程如圖1 所示。

圖1 三維掃描施測流程

不同于傳統(tǒng)測量方法需要保證光照等環(huán)境條件充足， 三維激光掃描技術(shù)可以在昏暗環(huán)境下進行，適用于假山內(nèi)石室掃描。整體測站的拼接可以用標靶球（紙） 拼接或者無參考對象拼接等方法[16]。 使用標靶球（紙）需要思考球（紙）的擺放位置，雖然會影響整體掃描時間，但方便數(shù)據(jù)處理時進行點云拼接。使用無參考對象拼接時，可以大大縮短整體掃描時間，但數(shù)據(jù)處理時不便于點云拼接。

1.4 路線規(guī)劃及數(shù)據(jù)采集

使用架站式三維激光掃描儀進行假山空間坐標信息采集前，需要對測量的路線提前規(guī)劃，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)測量目標的完整掃描[17]。對測量路線的提前規(guī)劃，將會有效地提高測量的效率，通過實地勘測和對已有資料的分析確定掃描方案，在保證數(shù)據(jù)采集完整的前提下，盡量減少設站以避免數(shù)據(jù)冗余。園林掃描架站位置如圖2 所示，采取由遠及近、由里及外、由下及上的方式對假山進行全方位掃描。

圖2 掃描線路規(guī)劃

數(shù)據(jù)采集中使用的三維激光掃描儀為FARO Focus S150， 該掃描儀的掃描類型為架站式，測程為0.6~150 m，掃描精度是±1 mm，具有360°×300°的掃描視角，該儀器具有極高的掃描速率，最快可達到每秒測量97.6 萬個點，工作效率得到極大地提高。 進行數(shù)據(jù)采集時，先對該站點處假山進行基本掃描，獲得假山表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后對該站點中所有，標靶球進行精確掃描，獲得精確的標靶球空間坐標，以便后續(xù)拼接。 將上述掃描操作用于所有站點，直到完成對整個假山的數(shù)據(jù)采集。

在對假山的整體掃描過程中，每期的掃描測站點并不固定，根據(jù)實際掃描過程確定架站位置，這導致兩期獲得的點云數(shù)據(jù)的坐標系并不統(tǒng)一。為了方便后期數(shù)據(jù)比對，需要將兩期坐標置于統(tǒng)一坐標系中。選取三維激光掃描中布置的多個標靶球作為控制點，采用全站儀對多個控制點進行空間坐標測定，建立以全站儀的測站位置為中心的固定坐標系。 測量過程中采用園林中地面上穩(wěn)固的控制點作為全站儀的測量基點，通過將全站儀所在坐標系與點云數(shù)據(jù)中標靶球坐標匹配，從而保證兩期掃描中點云數(shù)據(jù)空間坐標統(tǒng)一，因此無需保持兩次掃描的標靶紙坐標一致。 此次園林假山掃描一期共布設49 個測站點，二期總共布設42 個測站點。

2 數(shù)據(jù)處理

在使用三維激光掃描儀對假山進行掃描后， 得到包含假山表面一系列的三維空間坐標點信息的數(shù)據(jù)點的集合，稱之為點云，它對假山表面進行了全面的描述[18]。 但由于點云數(shù)據(jù)太過龐大，通常包含上千萬的數(shù)據(jù)點， 而這些數(shù)據(jù)點中必然摻雜著各種由于遮擋或其他原因造成的噪聲點， 因此有必要在進行數(shù)據(jù)比對前對初始點云數(shù)據(jù)采取預處理操作。 點云數(shù)據(jù)預處理包括：點云拼接、去除冗余數(shù)據(jù)和格式轉(zhuǎn)換等。 數(shù)據(jù)處理整體流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 點云拼接

點云拼接是指將多個坐標系中的大量三維空間數(shù)據(jù)點集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系中的數(shù)學計算過程[19]。 由于整個假山的掃描范圍跨度大，并且地形條件復雜，包括外景草木叢生和內(nèi)景廊道石室，而掃描儀在測量時掃描視角有限，被測物之間互有遮擋等原因，使得掃描儀在每一站點所能采集到的假山空間坐標信息是有限的，不足以對整個假山進行建模。 因此，為了將研究區(qū)域構(gòu)建完整，應該在假山周圍設立站點，多角度環(huán)繞實體，對其進行多站掃描[20]。

在每一架站處對假山進行掃描時， 由于所采集的點云數(shù)據(jù)皆處于該站點處獨立的空間坐標系中，也因此導致一個問題，即各個站點所采集的空間坐標信息處于各自的坐標系中是相互獨立的，同一點位在不同站點所處坐標系中坐標不同。因此，為了實現(xiàn)對假山整體點云數(shù)據(jù)的處理和建模，需要將點云數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換，即進行點云拼接（或配準），利用坐標轉(zhuǎn)換將不同測站下所有的獨立點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到基準坐標系下[21]。

對于假山外景，采用基于標靶球拼接方法。基于標靶球的拼接是點云數(shù)據(jù)拼接中使用最廣、拼接精度最好的一種拼接方法，而且標靶球布設簡單、效率高。將不同測站之間的共同標靶的空間坐標按照公式（1）轉(zhuǎn)換到同一坐標系下。

其中，（λ，α，β，γ，△x，△y，△z）表示兩個坐標系間轉(zhuǎn)換參數(shù)，λ 表示尺度縮放系數(shù)，（α，β，γ）代表旋轉(zhuǎn)參數(shù)，（△x，△y，△z）代表平移參數(shù)。

對于假山內(nèi)部狹道，采用基于視圖進行自動拼接方法。 當掃描儀在不同視點進行掃描后，所得的點云數(shù)據(jù)缺少公共標靶和控制點條件時，通過提取兩站掃描數(shù)據(jù)之間共同視圖的特征點，利用這些特征點的同名點云配對計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進而實現(xiàn)基于視圖的自動拼接[22]。

點云拼接完成后園林整體的點云模型如圖4 所示。

圖4 拼接后園林整體點云模型

2.2 導入空間坐標

每期掃描采集到的點云數(shù)據(jù)在拼接完成后分別處于獨立的空間坐標系中，為使空間坐標統(tǒng)一，將點云數(shù)據(jù)的空間坐標與全站儀觀測的控制點坐標系統(tǒng)一。 在數(shù)據(jù)處理時，分別將每期全站儀測得的控制點坐標與點云數(shù)據(jù)中標靶球坐標相對應，即可得統(tǒng)一兩期項目點云數(shù)據(jù)的空間坐標。 最終得到的點云數(shù)據(jù)不僅包含假山的空間坐標信息，同時也包含顏色等信息，從而獲取更加豐富的信息[23]。

2.3 點云去冗

在采集數(shù)據(jù)時由于掃描儀是扇形發(fā)射激光點，對于遠處的邊緣點以及稀疏、多余的點，軟件默認是常規(guī)數(shù)據(jù)[24]，導致數(shù)據(jù)中存在無關(guān)的噪聲。 利用濾波將離群點以及稀疏、多余點云數(shù)據(jù)刪除，留下目標主體數(shù)據(jù)，這是由選擇標準決定的。 根據(jù)其識別出的不準確掃描點的方法和之后將采取的應對措施，過濾器會有所不同。過濾器依照其特定的方法檢查每個掃描點并建立一個質(zhì)量值。如果該質(zhì)量值超出已設定的閾值，將更正或刪除該掃描點。

對于不能夠自動濾除的噪聲， 需要人工操作方式進行過濾[25]。在對所有站點拼接完成之后，使用三維視圖，對俯視圖和側(cè)視圖分別使用多邊形選擇器選擇目標并刪除。 整體的掃描包括假山、房屋建筑、長廊、涼亭等對象，由于文中的測量主要對象為假山，所以對于多余建筑需要手動去除，去除后效果如圖5 所示。

圖5 去冗后點云數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)比對

將園林假山進行兩次掃描的結(jié)果進行數(shù)據(jù)比對，目的是為了得到一個三維色譜圖。 首先將一期掃描的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格模型，二期掃描數(shù)據(jù)仍為點云。 然后將一期掃描數(shù)據(jù)設置為Reference（參考），二期掃描數(shù)據(jù)設置為Test（測試）。

在兩期掃描的空間坐標系相同的條件下，對比對參數(shù)進行設定，包含最大偏差、臨界值和名義值。 最大偏差和臨界值是指兩期數(shù)據(jù)比對后偏差范圍，名義值是所能接受的合理偏差范圍，不同范圍的偏差在色譜圖中以不同顏色顯示。 若名義值范圍設置1.5 cm，則色譜圖中1.5 cm 以內(nèi)偏差的部分顯示為綠色。

由圖5 可看出假山上樹木的成長必定會對假山的沉降造成影響。 為了研究假山上樹木對于假山的影響，需要單獨對假山上的樹木進行比對分析， 以此衡量樹木存在的必要性。 因此， 將兩期樹木點云手動單獨提取出來對比， 并對不同高度的樹干進行橫截面測量。

3 實驗結(jié)果分析

通過將兩期數(shù)據(jù)進行比對， 并選取8 個地點進行注釋， 注釋信息包含該點的總體偏差和在X/Y/Z 三個坐標軸方向上的偏差。 每個顏色代表不同的偏差范圍，如圖6 所示角度為假山的俯視圖。

圖6 假山比對3D 分析注解

每個注釋點的具體信息，兩期的空間坐標以及對比的偏差結(jié)果見表1。

表1 偏差結(jié)果

將圖6 與表1 的比對結(jié)果結(jié)合可以得到，假山整體呈下降的趨勢，且主要下降區(qū)間為0 至1 cm。 圖中假山上灌木草叢等雜物使得結(jié)果出現(xiàn)紅藍交錯區(qū)域，對假山的變化無參考價值。

根據(jù)對兩期樹的不同高度進行截面分析，如圖7 所示，1 號為一期掃描，2 號為二期掃描。 可以看出在高度Z=2.6 m 左右樹干向右傾斜，隨著高度增加，在高度Z=4.4 m 左右樹干向左傾斜。 結(jié)合圖5 中樹的傾斜角度，可得樹的整體呈頂部下垂底部上翹的趨勢。

圖7 不同高度樹干截面

為了更好地展示假山的位移變化， 對假山比對后結(jié)果進行切面比較， 包括YOX 面、XOZ 面以及YOZ面，并選取多處截面進行比較。 如圖8 所示，通過對高度2.619 5 m 處的水平切面，得到該高度處的橫切面偏差結(jié)果，并選取9 個位置進行注釋。 由注釋點可以看出所選取點均向南偏移（Dy＜0）。

圖8 假山橫切面注解圖

4 結(jié)語

利用三維激光掃描技術(shù)彌補了傳統(tǒng)的單點測量的不足之處，為園林假山沉降提供了有效的解決方案，突破傳統(tǒng)方法僅對有限點的測量。 實踐證明，基于三維激光掃描技術(shù)的園林假山三維模型的構(gòu)建具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集快、三維模型精度高及細節(jié)表達詳細等優(yōu)點，可以快速獲取假山表面的空間高精度點云數(shù)據(jù)及三維模型，進而可以構(gòu)建園林假山精確、真實、全方位的三維空間信息數(shù)字檔案，依據(jù)逐年比對點云模型中所處位置的空間三維數(shù)據(jù)，從而為假山修葺加固提供輔助決策依據(jù)。