融合點(diǎn)云在古舊建筑物改造修繕中的應(yīng)用

高元鵬

(海南水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,海南 海口 570100)

0 引言

古建筑是凝固的藝術(shù),是歷史的痕跡。但是隨著風(fēng)雨的侵蝕,許多古舊建筑物破敗不堪,急需進(jìn)行改造修繕,而在改造前需要獲取建筑物詳細(xì)的平、立、剖面圖紙等基礎(chǔ)資料[1]。目前常用的測(cè)量方法有全站儀方法、尺量法等,這些方法測(cè)量效率低下且易漏測(cè)、采集信息不全面,不能夠很好地滿足設(shè)計(jì)、施工的需求。針對(duì)這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)學(xué)者做了很多的研究,提出使用地面三維激光掃描儀來(lái)對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量,三維激光掃描儀可以高效、全面地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,同時(shí)還可以獲取現(xiàn)場(chǎng)的照片、紋理等信息[2-5],但是該方法無(wú)法對(duì)屋頂?shù)纫曈X(jué)盲區(qū)進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,采用一種地面三維激光掃描點(diǎn)云與無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云相結(jié)合的方法。通過(guò)計(jì)算兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù),將地面三維激光掃描點(diǎn)云與無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云的屋頂部分進(jìn)行融合,可以得到完整的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。根據(jù)對(duì)實(shí)際案例的應(yīng)用分析,融合點(diǎn)云的精度較高,滿足繪圖的要求。繪制得到的平立剖圖紙以及融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)有效地保障了筑物改造修繕工作的順利進(jìn)行。

1 數(shù)據(jù)獲取

1.1 地面掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)刻技術(shù),能夠?qū)呙鑸?chǎng)景進(jìn)行真實(shí)的還原,是測(cè)繪領(lǐng)域繼衛(wèi)星導(dǎo)航之后的又一項(xiàng)技術(shù)革新。相比于全站儀方法、尺量法等,具有非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)[7-9]。

1.1.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)作業(yè)使用Leica RTC360地面三維激光掃描儀(圖1),Leica RTC360攜帶方便且掃描速率快,每秒鐘可達(dá)200萬(wàn)點(diǎn),極大地提高了外業(yè)效率。測(cè)量精度高,20 m內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)2.9 mm。

圖1 Leica RTC360三維激光掃描儀

在進(jìn)行外業(yè)掃描前,需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘并規(guī)劃合適的掃描線路。同時(shí)應(yīng)在建筑物的四角選取合適的標(biāo)靶布設(shè)位置,并測(cè)量其絕對(duì)坐標(biāo)。外業(yè)掃描時(shí)應(yīng)保證相鄰測(cè)站之間具有充足的公共部分,保證掃描的質(zhì)量。

1.1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括配準(zhǔn)拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、噪聲處理。對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參照物是否充足選擇目視配準(zhǔn)和標(biāo)靶配準(zhǔn),當(dāng)重疊度過(guò)低或配準(zhǔn)質(zhì)量較差時(shí),應(yīng)及時(shí)補(bǔ)測(cè)。將拼接無(wú)誤的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)七參數(shù)模型進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,采用的標(biāo)靶點(diǎn)至少3個(gè)且應(yīng)分布均勻。為了方便后續(xù)的繪圖等工作,還應(yīng)對(duì)噪聲點(diǎn)進(jìn)行去除,例如將外圍無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

航飛前需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘,規(guī)劃合理的航線,同時(shí)還需進(jìn)行空域申請(qǐng)、數(shù)據(jù)資料收集、像控點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量等工作。外業(yè)航飛采用飛馬D200無(wú)人機(jī)搭載D-OP400傾斜模塊進(jìn)行作業(yè)。對(duì)外業(yè)采集像控點(diǎn)、影像及定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,針對(duì)影像中曝光不足、輕度霧霾等現(xiàn)象,進(jìn)行勻色處理。進(jìn)行空三解算后,導(dǎo)出點(diǎn)云成果[10-15]。

2 點(diǎn)云融合

地面三維激光掃描儀能夠?qū)ㄖ锏氖覂?nèi)外進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確地掃描,但是對(duì)于建筑物的屋頂?shù)纫曈X(jué)盲區(qū)無(wú)法測(cè)量,這就會(huì)在建筑物點(diǎn)云上產(chǎn)生大片的孔洞,這就會(huì)對(duì)后續(xù)的繪圖、設(shè)計(jì)等工作產(chǎn)生不好的影像。無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云能夠?qū)ξ蓓斠约拔恢闷叩牧⒚孢M(jìn)行較好的測(cè)量,但是對(duì)于靠近地面或位置較低的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的變形。綜合兩種點(diǎn)云的優(yōu)點(diǎn),將兩種點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,即可以得到建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[16]。

以地面掃描點(diǎn)云作為基準(zhǔn)點(diǎn)云,在地面掃描點(diǎn)云和無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云上選擇4對(duì)以上的公共點(diǎn),按式(1)計(jì)算坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù),將無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云的屋頂部分轉(zhuǎn)換至地面掃描點(diǎn)云上。

(1)

其中,

(2)

式中,θ、φ、φ為X軸、Y軸、Z軸所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角;A、B、C為位移參數(shù)。

3 案例應(yīng)用

現(xiàn)需對(duì)某建筑物進(jìn)行改造,需要獲取詳細(xì)的平立剖圖紙等基礎(chǔ)測(cè)繪資料。由于建筑物復(fù)雜且需要信息較多,使用全站儀等方法無(wú)法滿足測(cè)量要求,因此對(duì)改造建筑物使用Leica RTC360地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描,外業(yè)共掃描196個(gè)測(cè)站,耗時(shí)20 h。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到建筑物的內(nèi)外點(diǎn)云數(shù)據(jù),建筑物的屋頂點(diǎn)云數(shù)據(jù)明顯缺失(圖2)。

圖2 地面三維激光掃描數(shù)據(jù)

同時(shí)采用全站儀方法對(duì)建筑物的特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,并與掃描點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比分析(表1)。X坐標(biāo)較差絕對(duì)值最大值1.8 cm,絕對(duì)值最小值0.2 cm,中誤差1.4 cm;Y坐標(biāo)較差絕對(duì)值最大值1.7 cm,絕對(duì)值最小值0.3 cm,中誤差1.1 cm;Z坐標(biāo)較差絕對(duì)值最大值1.9 cm,絕對(duì)值最小值0.2 cm,中誤差1.1 cm。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果,地面三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量結(jié)果一致,地面三維激光掃描數(shù)據(jù)精度可靠。

表1 全站儀數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)改造建筑物使用飛馬無(wú)人機(jī)搭載D-OP400傾斜模塊進(jìn)行航測(cè),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到建筑物的傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù),將傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)靠近屋頂重疊區(qū)域的距離尺寸進(jìn)行對(duì)比分析(表2)。較差絕對(duì)值最大值2.4 cm,絕對(duì)值最小值0.9 cm,中誤差1.6 cm。根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果,傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)在靠近屋頂重疊區(qū)域相對(duì)關(guān)系一致,傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠?qū)ξ蓓數(shù)葦?shù)據(jù)缺失部分進(jìn)行很好的補(bǔ)充。

表2 傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)距離尺寸對(duì)比分析

選取地面掃描點(diǎn)云和無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云公共點(diǎn)4對(duì),按式(1)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),將無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云轉(zhuǎn)換至地面掃描點(diǎn)云上,轉(zhuǎn)換殘差見(jiàn)表3。X方向殘差絕對(duì)值最大值1.7 cm,絕對(duì)值最小值0.6 cm,中誤差1.1 cm;Y方向殘差絕對(duì)值最大值1.2 cm,絕對(duì)值最小值0.7 cm,中誤差1.0 cm;Z方向殘差絕對(duì)值最大值1.1 cm,絕對(duì)值最小值0.4 cm,中誤差0.7 cm。根據(jù)殘差結(jié)果,轉(zhuǎn)換精度較高。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換融合得到最終的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖3)。

表3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差表

圖3 融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)

將完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)CloudWorx插件導(dǎo)入CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),computer aided design)當(dāng)中,根據(jù)建筑物布局重新定義坐標(biāo)系。通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在不同方向、不同位置做切片,在CAD當(dāng)中即可以繪制出詳細(xì)的平立剖圖紙(圖4),設(shè)計(jì)單位根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、圖紙以及掃描儀拍攝的照片等信息即可以進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(a)分層平面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)的測(cè)量方法存在著效率低下、易漏測(cè)、采集信息不全面等問(wèn)題,采用地面三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,三維激光掃描儀能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及顏色紋理等信息。但是地面三維激光掃描儀對(duì)于屋頂?shù)纫曈X(jué)盲區(qū)無(wú)法進(jìn)行測(cè)量,因此本文采用了一種融合點(diǎn)云的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算地面三維激光點(diǎn)云和無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云之間的轉(zhuǎn)換參數(shù),將地面三維激光點(diǎn)云和無(wú)人機(jī)傾斜點(diǎn)云的屋頂部分進(jìn)行融合,即可以得到建筑物的完整點(diǎn)云。對(duì)融合點(diǎn)云做切片處理,即可以繪制得到建筑物的平立剖圖紙。

根據(jù)對(duì)實(shí)際案例的應(yīng)用分析,地面三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量結(jié)果一致,點(diǎn)云精度可靠;傾斜點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面三維激光掃描數(shù)據(jù)在靠近屋頂重疊區(qū)域相對(duì)關(guān)系一致;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差小,融合點(diǎn)云的精度較高。融合點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及繪制得到的圖紙能夠很好地滿足設(shè)計(jì)、施工等后續(xù)工作,保障了建筑物修繕改造工作的順利進(jìn)行。當(dāng)前城市更新如火如荼地進(jìn)行,基于融合點(diǎn)云的測(cè)量方法有效地解決了古舊建筑物測(cè)量難的問(wèn)題,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。