基于三維激光掃描的歷史建筑測繪應用研究

李 楠，方余錚，府偉娟，賀飛越

（1. 中煤浙江測繪地理信息有限公司，浙江 杭州 310016）

Cyclone軟件是處理點云數(shù)據(jù)的較為常用的軟件之一，該軟件可對掃描效果好的點云數(shù)據(jù)進行拼接、去噪、濾波、分割和分類、統(tǒng)一化、特征線提取等一系列處理，為后期建筑物二維圖繪制提供點云數(shù)據(jù)處理技術基礎。本研究以溫州某歷史建筑為研究對象，采用徠卡P40 三維激光掃描儀，對其進行全面掃描，獲取歷史建筑表面的點云數(shù)據(jù)。在此基礎上，將點云數(shù)據(jù)在Cyclone 軟件中通過拼接、去噪、統(tǒng)一化等處理，得到該歷史建筑的高精度完整點云數(shù)據(jù)。通過cloudworx軟件，在CAD中加載處理好的點云數(shù)據(jù)，繪制歷史建筑二維圖，為歷史建筑歸檔提供建筑物精細CAD圖紙，促進歷史建筑歸檔的完備性。此外，為更好地展示歷史建筑的整體性，將處理后的點云數(shù)據(jù)在Smart3D 軟件中建模，獲得該歷史建筑實體三維模型。最后對二維圖紙及三維建模進行精度評價，結(jié)果表明其具有較高精度。本文研究在三維激光掃描應用歷史建筑測繪方面具有一定的參考價值[1-7]。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、控制器和電源供應系統(tǒng)以及附屬構(gòu)成，如圖1 所示[8]。三維激光掃描技術通過發(fā)射激光的方式對建筑物進行掃描測量，獲取建筑物表面的空間點云信息。該技術根據(jù)激光束從發(fā)射到返回所用的時間計算出距離觀測值S，通過精密時鐘控制編碼器，保證激光掃描儀能夠同步地測量出橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。此外，根據(jù)返回激光信號的反射強度，結(jié)合通過校正的彩色相片，還可得到該激光腳點的顏色匹配信息[9]。掃描測得目標點的點位坐標公式如式1。

目前，三維激光掃描儀根據(jù)掃描空間位置不同，可分為機載型三維激光掃描儀、地面型三維激光掃描儀、車載型三維激光掃描儀、手持型三維激光掃描儀4 類[10]。根據(jù)測量方式不同，可分為脈沖式、三角測距式、相位式、脈沖相位式4類（如圖1）。

圖1 三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描儀掃描獲取大量點云數(shù)據(jù)后，在點云數(shù)據(jù)處理軟件中（本文采用Cyclone 軟件）對其進行后期處理，包括點云配準、點云去噪、點云濾波、點云統(tǒng)一化等步驟，其中點云配準為關鍵步驟，本文采用ICP算法對建筑物點云數(shù)據(jù)進行配準。

2 歷史建筑掃描項目

2.1 項目概況

本文掃描對象為浙江省溫州市某歷史建筑，始建于清乾隆四十四年（1779），坐北朝南，由前廳、戲臺、廂房、正廳組成合院式木構(gòu)建筑，占地面積約540 m2，主體為磚木結(jié)構(gòu)，屋頂為歇山頂，上下兩層，整體建筑呈四合院模式，整體保存一般。建筑物正面圖如圖2所示。

圖2 建筑物正面照片

2.2 點云數(shù)據(jù)采集

對歷史建筑進行數(shù)據(jù)采集之前，需要對建筑物所在現(xiàn)場進行踏勘，通過踏勘了解整個宗祠的結(jié)構(gòu)，分析空間布局及外部特征，確定控制網(wǎng)及掃描站的布設方式，制定外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案。本項目采用徠卡P40三維激光掃描儀，總共布設22個測站，對該歷史建筑進行從內(nèi)到外，從下到上的全面掃描，獲取建筑物整體點云數(shù)據(jù)。布設站點時需要注意以下三點：①盡量避免掃描盲區(qū)，根據(jù)測區(qū)的地形及建筑物的結(jié)構(gòu)，設定掃描間距在10 m 左右，點云分辨率為3.1 mm@10 m。對建筑物的點云數(shù)據(jù)需要完全采集，避免出現(xiàn)漏采現(xiàn)象，通視困難或在拐角時應適當增加測站，保持能夠全面獲取建筑物點云數(shù)據(jù)。②根據(jù)建筑物的特點，盡量在滿足應用的需求上，合理安排掃描儀測站位置，保證在獲得建筑物點云數(shù)據(jù)的基礎上，盡量減少測站數(shù)，以減少噪聲點及無效數(shù)據(jù)。③布設站點時需考慮當?shù)亟煌叭宋那闆r，盡量減少游人及居民帶來的干擾。

在掃描過程中需要進行標靶布設，為后續(xù)點云配準做準備。標靶按類型可分為磁質(zhì)標靶、球形標靶和紙質(zhì)標靶。本項目點云數(shù)據(jù)采集中使用磁質(zhì)標靶和紙質(zhì)標靶。標靶的布設應在掃描范圍內(nèi)均勻布置且高低錯落[11]。每一掃描站的標靶個數(shù)應不少于4 個，相鄰兩掃描站的公共標靶個數(shù)應不少于3 個，且避免標靶布設在一條直線上。同時采用全站儀和RTK對建筑物進行控制網(wǎng)布設，以將點云數(shù)據(jù)從相對坐標轉(zhuǎn)換到絕對坐標上。數(shù)據(jù)采集與處理流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 點云數(shù)據(jù)處理

本項目將點云數(shù)據(jù)導入Cyclone 軟件中，對其進行拼接、去噪、統(tǒng)一化等處理。下面著重介紹點云拼接及點云去噪2個步驟。

1）點云數(shù)據(jù)拼接。采用三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集時，每一測站獲得的點云數(shù)據(jù)是獨立坐標系，需要將每一測站點云數(shù)據(jù)配準到統(tǒng)一坐標系下，形成一個整體的點云數(shù)據(jù)，此過程為點云配準。點云配準是后續(xù)處理步驟能否完整完成的前提。本項目采用最鄰近迭代配準（ICP）算法進行配準工作，最終點云配準的平均誤差為1.01 mm。

2）點云去噪。點云數(shù)據(jù)采集的過程中會不可避免地掃描到建筑物以外的非目標點，這些存在的差點和錯誤點就是噪聲點。產(chǎn)生噪聲點的主要原因有三點：第一，掃描時儀器的震動及掃描儀的精度等引起的掃描儀本身的系統(tǒng)噪聲；第二，掃描物體表面的光滑程度、材質(zhì)、顏色的反射特性引起的噪聲；第三，掃描過程中游人、居民、車輛等遮擋引起的偶然噪聲。這些噪聲點占用計算機存儲空間，影響點云數(shù)據(jù)質(zhì)量。為確保數(shù)據(jù)的有效性，需要對這些噪聲數(shù)據(jù)進行剔除，通常采用人機交互方式進行降噪處理。拼接去噪后的點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 拼接去噪后的點云數(shù)據(jù)

2.3.2 建筑物二維圖繪制

利用CAD插件cloudworx，將處理后的點云數(shù)據(jù)導入CAD 中，對其進行旋轉(zhuǎn)、定義工作面、裁剪等操作，繪制建筑物平面圖、立面圖、剖面圖、大樣詳圖。在繪制期間需注意以下3點：①繪制平面圖時需在平面視圖，繪制立面圖及剖面圖時需在高程視圖，否則會導致繪制出來的二維圖不在一個平面，后期墻體繪制及標注等步驟不能順利進行；②繪制建筑物平面圖、立面圖、剖面圖、大樣詳圖時，需要確保圖中的尺寸相互對應，比如平面圖中柱子直徑尺寸與立面圖和剖面圖中相同位置柱子直徑尺寸需一致，否則會導致繪制的二維圖與實際不符。特別在進行標高標注時，需注意確保同一位置的標高在平面圖、立面圖、剖面圖上一致。③繪制剖面圖時，需對點云數(shù)據(jù)進行裁剪，這時需要尋找一個合適的剖切位置，保證剖切后的剖面較為完整，盡量不要存在不完整的柱子等問題。一般情況下，選取空間關系典型、能夠反映歷史風貌的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的部位進行剖切。根據(jù)點云數(shù)據(jù)在基于CAD 的cloudworx 中繪制建筑物二維圖及大樣詳圖如圖5～8所示。

圖5 建筑物一層平面圖

圖6 建筑物正立面圖

圖7 建筑物剖面圖

圖8 建筑物大樣詳圖

2.3.3 三維模型制作

為了使歷史建筑完整地展現(xiàn)，本文將獲取的點云數(shù)據(jù)在Smart3D 軟件中建模，獲得該歷史建筑三維模型。首先，將點云數(shù)據(jù)在Cyclone 中進行統(tǒng)一化處理，對點云數(shù)據(jù)等進行比例抽稀。經(jīng)過多次實驗，設置抽稀比例為0.01 m 時，在Smart3D 軟件中建模效果最好；其次，將抽稀后的點云數(shù)據(jù)導出成點云數(shù)據(jù)通用格式，即*las 格式；最后，將*las 格式數(shù)據(jù)導入Smart3D 軟件中，進行三維建模。建模的效果圖如圖9所示。

從圖9 中可以看到，建模效果并不是太理想，特別是屋頂存在較多碎片。經(jīng)過分析，造成此現(xiàn)象的原因有以下2 點：①三維激光掃描儀本身放置在三腳架上，三腳架的高度存在局限性，掃描完整屋頂數(shù)據(jù)存在較大困難。在建筑物較低，僅為一層建筑時可以較為容易地掃描到完整屋頂，而對于本項目中的二層建筑或者其他多層建筑，掃描完整屋頂數(shù)據(jù)存在較大困難，導致在建模時會出現(xiàn)圖9 中的屋頂碎片現(xiàn)象。但是采用獲取的點云數(shù)據(jù)進行繪圖時可以根據(jù)屋頂稀疏的點云數(shù)據(jù)，推理勾勒出完整的屋頂，并不會影響其二維圖繪制；②從圖9 中可以看出建筑物三維建模效果顏色并不是很真實，這是由于掃描時，每一測站照片曝光度和對比度的參數(shù)不一樣，在陽光直射面及背陽光面明顯存在差異。

圖9 建筑物三維建模效果圖

2.4 精度分析

本文研究的歷史建筑物年代較為久遠，但房屋保存較完整，可以對繪制好的二維圖紙及三維模型進行精度驗證。本項目采用激光測距儀實地量取建筑物的長和寬尺寸，計算圖紙尺寸（S2）、三維模型尺寸（S3）與實測尺寸（S1）的差值絕對值（|ΔS|）及相對中誤差（δ），評價其精度。測量結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：①該歷史建筑的長，圖紙尺寸與實測尺寸的差值絕對值為10 mm，相對中誤差為9.747 mm，三維模型尺寸與實測尺寸的差值絕對值為28 mm，相對中誤差為28.012 mm；②該歷史建筑的寬，圖紙尺寸與實測尺寸的差值絕對值為7 mm，相對中誤差為8.544 mm，三維模型尺寸與實測尺寸的差值絕對值為14 mm，相對中誤差為16.135 mm。綜上可知，本項目研究的歷史建筑通過三維激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)后，繪制的二維圖紙及三維建模具有較高的精度。

表1 實測尺寸與圖紙尺寸、三維模型尺寸對比

3 結(jié) 語

本文以溫州某歷史建筑為研究對象，闡述了基于三維激光點云的歷史建筑二維圖繪制及三維建模，并對其進行精度評價。結(jié)果表明利用三維激光掃描儀獲取該歷史建筑點云數(shù)據(jù)，通過在Cyclone 中對點云數(shù)據(jù)處理后，在cloudworx中繪制的CAD二維圖，以及在Smart3D中構(gòu)建的三維模型，均具有較高的精度。本文方法充分發(fā)揮了三維激光掃描技術的優(yōu)勢，準確地獲取該歷史建筑的空間數(shù)據(jù)，促進歷史建筑歸檔的完備性。