基于點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)融合的古建筑三維建模

馮志敏，徐茂林

（遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山114051）

古建筑的保護(hù)、修繕和管理離不開(kāi)古建筑的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，測(cè)繪是獲得這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)最直接的技術(shù)手段。以前采用人工作業(yè)方式利用全站儀和經(jīng)緯儀等設(shè)備經(jīng)過(guò)精細(xì)化作業(yè)獲得，此種方式精度較低，信息丟失嚴(yán)重，消耗大量的人力和物力，而且測(cè)量人員需要經(jīng)常接觸建筑物，容易對(duì)古建筑造成損壞［1］。

近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的三維激光掃描技術(shù)和無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸測(cè)量，廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化中，并獲得一定的成果。曹爽等［2］利用單鏡頭無(wú)人機(jī)從多角度對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，構(gòu)建了建筑物三維模型。黃彬［3］利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)馬胖鼓樓構(gòu)建三維模型，取得較好結(jié)果。曹明蘭等［4］提出傾斜攝影與激光掃描技術(shù)結(jié)合的3D森林景觀(guān)建模方法；王樹(shù)臻等［5］提出一種傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描生成三維點(diǎn)云模型相融合的建筑物精細(xì)化建模方法，建模精度接近三維激光掃描模型。這些研究成果為無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相融合奠定了基礎(chǔ)。

大量實(shí)驗(yàn)證明，站式三維激光掃描技術(shù)建立的建筑物模型底部質(zhì)量最好，但隨著高度的上升，作業(yè)難度增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降。無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)在高空采集方面具有特有的優(yōu)越性。這兩種技術(shù)相得益彰，為兩種數(shù)據(jù)融合建模提供可能。本文采用三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)融合的古建筑三維建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決單一技術(shù)手段在精度、效率、視覺(jué)方面等的缺陷，使建模數(shù)據(jù)更加完整。

1 古建筑三維建模方案

遼寧省鞍山市千山風(fēng)景區(qū)香巖寺始建于唐，盛修于遼金，是我國(guó)五大禪林之一。建筑均為單檐硬山式，脊上有彩色浮雕，斜脊有跑獸，檐下有五鋪?zhàn)鞯闹^、轉(zhuǎn)角斗拱，枋下有盤(pán)龍、犀牛透雕，是研究我國(guó)近代佛教建筑和佛教文化好素材，具有極大保護(hù)價(jià)值。

本文對(duì)天王殿古建筑進(jìn)行三維建模，外業(yè)采用三維激光掃描與無(wú)人機(jī)航攝兩種技術(shù)。首先利用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云去噪、重采樣和配準(zhǔn)操作，將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。然后利用無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)拍攝該建筑物，對(duì)采集的影像進(jìn)行空三加密，設(shè)置空間框架裁剪所需數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正、裁剪與拼接，得到完整的天王殿三維模型。三維建模技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 三維建模技術(shù)路線(xiàn)圖Fig.1 Flow chart of 3D modeling

2 數(shù)據(jù)采集與處理

三維建模首先需要采集建模體的數(shù)據(jù)，之后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，達(dá)到建模要求，為建模做準(zhǔn)備。

2.1 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過(guò)設(shè)備性能和指標(biāo)分析對(duì)比，選定拓普康GLS2000三維激光掃描儀和大疆精靈4無(wú)人機(jī)GNSS-RTK兩款設(shè)備進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

三維激光掃描儀利用激光測(cè)距技術(shù)記錄被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度和紋理等信息，具有測(cè)量速度快、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。為了保證建模的精度，在進(jìn)行掃描時(shí)應(yīng)考慮掃描視野及測(cè)站之間的通視情況，要確保重疊度滿(mǎn)足點(diǎn)云匹配要求，測(cè)站應(yīng)選擇視野開(kāi)闊、無(wú)遮擋情況的位置，如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀設(shè)站場(chǎng)地示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D laser scanner station site

大疆精靈4 GNSS-RTK無(wú)人機(jī)具有靈活、高效、快速、精準(zhǔn)、作業(yè)成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)域高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量中的飛行與拍照方式可分為垂直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量。攝影測(cè)量數(shù)據(jù)是同名影像通過(guò)前方交會(huì)和后方交會(huì)確定點(diǎn)位坐標(biāo)，通過(guò)攝影目標(biāo)物點(diǎn)、攝影中心和像點(diǎn)三點(diǎn)共線(xiàn)建立數(shù)學(xué)模型。無(wú)人機(jī)采集的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)可補(bǔ)充三維激光掃描數(shù)據(jù)的缺失部分，因此，在三維激光掃描作業(yè)之后設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行路線(xiàn)和拍照方式，充分考慮三維激光掃描的不足。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括兩個(gè)方面：一是點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪，二是點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)使后續(xù)建模型具備完善性和真實(shí)性。

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪 由于人為擾動(dòng)、外界環(huán)境影響、儀器本身都能產(chǎn)生點(diǎn)云噪聲，噪聲點(diǎn)影響點(diǎn)云模型的真實(shí)度，因此去除噪聲點(diǎn)和無(wú)關(guān)點(diǎn)，減少數(shù)據(jù)冗余，才能得到理想點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

圖3為去噪前后的點(diǎn)云模型。未進(jìn)行點(diǎn)云去噪時(shí)，噪聲點(diǎn)使圖像雜亂，建筑物邊界不清晰；而去噪后的點(diǎn)云模型減少了無(wú)關(guān)點(diǎn)和冗余點(diǎn)，能夠清晰準(zhǔn)確表達(dá)點(diǎn)云位置。

圖3 去噪前后點(diǎn)云模型Fig.3 Point cloud models before and after denoising

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接 建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)不能包含整個(gè)建筑，通常需要設(shè)置多個(gè)測(cè)站采集數(shù)據(jù)，通過(guò)將各站數(shù)據(jù)拼接得到完整建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是將不同坐標(biāo)系下點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中的操作。點(diǎn)云拼接可以選取連接點(diǎn)自動(dòng)拼接，或者以地理參照的方式進(jìn)行拼接［6］。本文采用自動(dòng)拼接方式。采集的數(shù)據(jù)集成多個(gè)掃描位置數(shù)據(jù)，相鄰測(cè)站掃描過(guò)程有很高的重疊度，滿(mǎn)足點(diǎn)云匹配要求。

三維激光點(diǎn)云拼接前后變化如圖4所示。未拼接時(shí)，不同站的點(diǎn)云模型不在同一坐標(biāo)系下，不同站數(shù)據(jù)中建筑物的相同結(jié)構(gòu)吻合度不高，檐下明顯有分離現(xiàn)象，無(wú)法獲取該結(jié)構(gòu)正確信息；拼接后，點(diǎn)云模型規(guī)劃在同一坐標(biāo)系下，各站數(shù)據(jù)融合在一起，使整體建筑物能夠清晰表現(xiàn)紋理信息、幾何屬性和空間位置等信息。建筑的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)完整詳細(xì)，檐下吻合緊密，能準(zhǔn)確捕捉結(jié)構(gòu)角點(diǎn)，獲取結(jié)構(gòu)真實(shí)信息。

圖4 拼接前后的點(diǎn)云模型Fig.4 Point cloud models before and after splicing

2.3 數(shù)據(jù)融合建模

融合建模是指利用點(diǎn)云匹配算法把多源點(diǎn)云匹配到一起，將不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)中較好的部分保留，再對(duì)多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而完成整體建模。

MAGNET Collage軟件支持海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化，對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括點(diǎn)云去噪、重采樣和配準(zhǔn)［7］等一系列操作。Context Capture Center軟件處理無(wú)人機(jī)采集的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量，設(shè)置空間框架，裁剪出實(shí)驗(yàn)所需要的部分，生成點(diǎn)云，建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。利用Cloud Compare軟件對(duì)MAGNET Collage軟件拼接后的點(diǎn)云模型和Context-Capture Center軟件處理后的點(diǎn)云模型進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正、裁剪和融合。點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)通過(guò)3D-3D的形式完成融合，首先將影像數(shù)據(jù)密集匹配生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再以點(diǎn)云與點(diǎn)云配準(zhǔn)的方式完成數(shù)據(jù)融合。

3 三維建模效果

采用點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)融合建模技術(shù)，對(duì)天王殿進(jìn)行三維建模，數(shù)據(jù)融合前后的模型效果如圖5所示。如圖5a為天王殿數(shù)據(jù)融合前的點(diǎn)云模型，對(duì)建筑物進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，建筑物頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失，頂部模型不完整。圖5b為數(shù)據(jù)融合后頂部模型，無(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)有效彌補(bǔ)三維激光掃描中頂部數(shù)據(jù)缺失造成的空洞，使模型更加完整。天王殿整體建模后，精細(xì)程度得到很大的提高，模型全面反映建筑的各項(xiàng)信息，精確表達(dá)建筑物的幾何特性和紋理特征，包括隱蔽位置及其構(gòu)件信息，可以從模型上量取所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使模型更完整和完美。

圖5 數(shù)據(jù)融合前后模型Fig.5 Models before and after data fusion

4 結(jié)論

針對(duì)三維激光掃描技術(shù)在古建筑建模過(guò)程中的缺點(diǎn)，本文以千山風(fēng)景區(qū)香巖寺天王殿古建筑為研究對(duì)象，提出運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)與無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)相融合方法進(jìn)行古建筑建模。實(shí)驗(yàn)證明，融合建模有效彌補(bǔ)僅用三維激光掃描技術(shù)出現(xiàn)部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失造成數(shù)據(jù)空洞和數(shù)據(jù)質(zhì)量差的問(wèn)題。該方法提高了建模的精確度和完整性，較好地保存了建筑物的幾何特性和紋理特征，具有良好的可行性和適用性。三維建模不僅能夠再現(xiàn)古建筑物及其構(gòu)件，還能保留建筑物的尺寸和建筑細(xì)節(jié)，這對(duì)于古建筑的修復(fù)和保存有極其重要的意義。