基于地面LiDAR的建筑物精細(xì)化三維重建及精度分析

鮑 國 張書畢 陳 強(qiáng) 鄭有雷 陳 春

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院,江蘇 徐州 221000;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦,山東 濟(jì)寧 272169)

隨著“實(shí)景三維中國”以及智慧礦山等建設(shè)的不斷推進(jìn),對承載數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的三維模型精細(xì)化程度提出了更高要求。近年來,測繪科學(xué)技術(shù)得到了快速發(fā)展,不少三維重建數(shù)據(jù)方式不斷涌現(xiàn),主要有航空航天影像、無人機(jī)傾斜攝影測量(Oblique Photogrammetry,OP)、地面三維激光掃描測量(Light Detection and Ranging,LiDAR)、機(jī)載 LiDAR 等[1-6]。其中,三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,是測繪領(lǐng)域繼 GNSS 后又一顛覆性的技術(shù)革命[7-12]。與傳統(tǒng)應(yīng)用單點(diǎn)測量方式的經(jīng)緯儀、全站儀相比,基于三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方式具有精度高、效率高、數(shù)據(jù)密度高等特點(diǎn),突破了單次采集數(shù)據(jù)量少的局限性,能有效解決三維空間信息數(shù)字化方面的難題[13-19]。因此,研究基于地面LiDAR的建筑物精細(xì)化三維重建技術(shù),并將其應(yīng)用于礦區(qū)重要建筑物保護(hù)、礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測具有重要意義。

近年來,業(yè)內(nèi)學(xué)者在建筑物建模方面進(jìn)行了卓有成效的研究并取得了豐碩成果。盧秀山等[5]提出了一種基于三維激光點(diǎn)云的建筑物立面分割方法,取得了較好效果;王永波等[7]提出了一種LiDAR 點(diǎn)云無初值配準(zhǔn)方法,解決了大轉(zhuǎn)角相似變換參數(shù)時的算法不穩(wěn)定問題;林卉等[8]研究了三維激光掃描建筑物立面數(shù)據(jù)自動提取方法,提高了工作效率。上述方法在一般建筑物三維建模方面取得了較好的應(yīng)用效果,但是對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑物,其建模精度有待進(jìn)一步提升。本研究針對復(fù)雜建筑物精細(xì)化三維重建過程中存在的內(nèi)部紋理不清晰、模型精度不高等問題,采用全站儀測量高精度標(biāo)靶點(diǎn)作為地面 LiDAR點(diǎn)云的控制點(diǎn),開展地面三維激光掃描測量技術(shù)在建模精度、細(xì)部紋理、模型完整性等方面的研究。以江蘇某仿古建筑為研究對象,構(gòu)建高精度的實(shí)景三維模型,并驗(yàn)證其精度。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)集概況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇徐州某高校校區(qū),研究對象為仿古建筑物,如圖1所示。作為仿古建筑有著傳統(tǒng)古建筑的共性特點(diǎn),如精美的斗拱、飛檐、房頂?shù)冉Y(jié)構(gòu),左右兩端另有兩條對稱的廊道和內(nèi)部的穿斗式結(jié)構(gòu),可作為同類建筑物的代表來研究。建筑物的斗拱、房檐、廊檐等構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、畫飾精細(xì),對精細(xì)化三維重建的要求較高。研究區(qū)周圍有高層建筑物、公路和一定數(shù)量的電網(wǎng)電線,日常人流量較大,且西北一側(cè)有樹木遮擋,測況較為復(fù)雜,符合復(fù)雜建筑物三維重建的一般場景要求。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

控制點(diǎn)數(shù)據(jù)主要指測區(qū)標(biāo)靶點(diǎn)三維坐標(biāo),由于地面三維激光掃描儀工作時,受目標(biāo)物復(fù)雜性以及掃描儀觀測條件限制,無法一次獲取全部數(shù)據(jù),因此需要將多站的掃描數(shù)據(jù)整合在一起,進(jìn)行點(diǎn)云拼接。為了提高點(diǎn)云拼接精度,需要獲取高精度的標(biāo)靶點(diǎn)三維坐標(biāo),故本研究采用全站儀導(dǎo)線測量方法采集了地面標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)(圖2)。為了驗(yàn)證點(diǎn)云的絕對精度,在建筑物上布設(shè)了標(biāo)靶紙,控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)見表1。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)Table 1 Coordinates data of control pointsm

圖2 控制點(diǎn)測量Fig.2 Control point measurement

1.2.2 地面LiDAR 數(shù)據(jù)采集

采用FARO S150地面三維激光掃描儀,獲取測區(qū)建筑物的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于測區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,主建筑柱子較多、廊道轉(zhuǎn)角較多、房檐和廊檐內(nèi)外紋理都比較細(xì)膩,廊道內(nèi)穿斗式結(jié)構(gòu)造成遮擋,為保證通視和實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模,架站距離約為5 m,開闊地區(qū)則每10 m 間隔設(shè)站。鑒于對建筑物精細(xì)化建模的需要,使用室內(nèi)外相結(jié)合的配置方案,建筑物內(nèi)外部掃描分辨率分別為1/5 和1/4,掃描時間為8～10 min。開啟彩色掃描模式,獲取高分辨率全景影像,用于后期處理點(diǎn)云著色。掃描作業(yè)時記錄各測站的位置,為補(bǔ)測提供依據(jù)。從外向內(nèi)進(jìn)行激光掃描測量工作,如圖3所示。

圖3 三維激光掃描測量現(xiàn)場Fig.3 3D laser scanning measurement site

2 研究方法

本研究主要基于全站儀導(dǎo)線法測量獲取高精度坐標(biāo)作為控制點(diǎn),利用地面LiDAR 數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪處理、點(diǎn)云著色、多點(diǎn)點(diǎn)云拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理,得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);然后在ContextCapture Center 軟件中實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型構(gòu)建;最后對三維模型進(jìn)行精度分析,技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 基于地面LiDAR 的三維重建技術(shù)流程Fig.4 Technical process of 3D reconstruction based on Ground LiDAR

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進(jìn)行去噪和點(diǎn)云著色。外業(yè)掃描工作時,由于受到環(huán)境干擾,掃描儀會采集到大量的無關(guān)點(diǎn)云,該類點(diǎn)云不僅會增大數(shù)據(jù)量,還會對后期點(diǎn)云使用產(chǎn)生影響,因此需要進(jìn)行去噪工作。對于有序點(diǎn)云數(shù)據(jù),可采用平滑濾波方式處理,常見濾波方式有高斯濾波、中值濾波、平均濾波等[10];對于無序點(diǎn)云數(shù)據(jù),可通過雙邊濾波算法、拉普拉斯濾波等進(jìn)行處理。本研究采用高斯濾波進(jìn)行去噪,其閾值參數(shù)設(shè)置為:柵格尺寸為3 像素,距離閾值為0.02 m,去噪效果如圖5所示。由圖5 可知:該方法可以有效過濾離群點(diǎn),同時較好地保持?jǐn)?shù)據(jù)原貌。由于掃描儀采集的點(diǎn)云只有灰度信息,為了構(gòu)建實(shí)景三維模型,利用全景影像對點(diǎn)云賦予彩色,即點(diǎn)云著色。

圖5 建筑物局部點(diǎn)云去噪前后效果對比Fig.5 Comparison of the effects before and after denoising of local point clouds in buildings

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

多站點(diǎn)云拼接后得到一個整體點(diǎn)云,但仍然是基于掃描的相對坐標(biāo)系,為將點(diǎn)云納入絕對大地坐標(biāo)系,還需要對點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用外業(yè)實(shí)測的棋盤紙坐標(biāo),在軟件中通過選取“控制點(diǎn)與點(diǎn)云位置的關(guān)聯(lián)”功能,即可完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

式中,(X,Y,Z)為大地坐標(biāo)系坐標(biāo);(x,y,z)為掃描儀坐標(biāo)系坐標(biāo);R為旋轉(zhuǎn)矩陣,(α,β,γ)為兩個坐標(biāo)軸系的3 個旋轉(zhuǎn)角;(Δx,Δy,Δz)為坐標(biāo)原點(diǎn)的平移量。

2.3 實(shí)景三維模型精度分析

采用全站儀在測區(qū)采集檢查點(diǎn)獲得實(shí)測坐標(biāo),在建筑物的傾斜攝影測量三維模型上量測相應(yīng)點(diǎn)位的坐標(biāo),計算二者三維坐標(biāo)的差值ΔXi、ΔYi和ΔZi,依次計算X、Y方向中誤差(mX、mY)以及平面中誤差(mXY),并進(jìn)一步計算出高程中誤差(mZ)。相關(guān)計算公式為

式中,n為檢查點(diǎn)的個數(shù);ΔXi、ΔYi和ΔZi分別為檢查點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)和模型量測坐標(biāo)的差值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 點(diǎn)云拼接結(jié)果

在進(jìn)行點(diǎn)云拼接時,多個測站的掃描數(shù)據(jù)都是基于各自的掃描坐標(biāo)系,將多個測站的掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)等位置變換,最后統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中。拼接方法采用基于標(biāo)靶和無標(biāo)靶兩種方法,首先采用無標(biāo)靶拼接,經(jīng)檢驗(yàn),單站平均掃描距離誤差最大為3.26 mm,符合精度要求;再通過控制點(diǎn)將點(diǎn)云統(tǒng)一到地面測量坐標(biāo)系。點(diǎn)云整體拼接效果如圖6所示。

圖6 測區(qū)多站掃描點(diǎn)云拼接效果Fig.6 Stitching effect of multi-station scanning point cloud

3.2 幾何結(jié)構(gòu)和紋理精度

本研究分別從模型完整性、有無空洞拉花現(xiàn)象、細(xì)部紋理、內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)和紋理精度評價?；诘孛鍸iDAR的建筑物精細(xì)化三維重建模型的各方面信息如圖7所示。由圖7 可知:在三維模型完整性方面,所提方法在建筑物的中下部、內(nèi)部區(qū)域重建效果較好,但在頂部信息缺失嚴(yán)重,是由于三維激光掃描儀的工作模式所限;在三維模型的空洞拉花方面,該區(qū)域右側(cè)有樹木遮擋,但由于三維激光掃描儀可以安全、靈活地選擇架站位置,能夠完全獲取該區(qū)域的信息;本研究三維重建方法在細(xì)部處的紋理表達(dá)效果較好,且紋理細(xì)膩、真實(shí)性強(qiáng)、色彩明亮;在內(nèi)部紋理結(jié)構(gòu)方面,該重建方法對建筑物內(nèi)部構(gòu)造較好,基本表達(dá)出模型內(nèi)部的真實(shí)情況。

圖7 幾何結(jié)構(gòu)和紋理精度評價Fig.7 Geometric structure and texture accuracy evaluation

3.3 三維模型點(diǎn)位精度分析

采用全站儀在測區(qū)采集檢查點(diǎn)獲得實(shí)測坐標(biāo),在建筑物基于三維激光點(diǎn)云構(gòu)建的三維模型上量測相應(yīng)點(diǎn)位的坐標(biāo),計算二者三維坐標(biāo)的差值ΔXi、ΔYi、ΔZi,同時利用式(2)至式(4))分別計算X、Y方向上中誤差以及平面中誤差,利用式(5)計算高程中誤差。各檢查點(diǎn)的平面及高程誤差統(tǒng)計如圖8所示,各檢查點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)和模型量測坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及差值見表2。

表2 基于地面LiDAR的建筑物三維重建精度統(tǒng)計Table 2 Accuracy statistics of building 3D reconstruction based on Ground LiDAR

圖8 三維模型點(diǎn)位誤差統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistical results of point error of 3D model

結(jié)合表2 計算可知:X、Y方向中誤差為±0.92、±0.60 cm,平面中誤差為±1.10 cm,X、Y方向最大差值為1.36 cm,高程中誤差為0.77 cm;從三維模型位置精度看,該重建方法的建模精度達(dá)到了亞厘米級。

綜上所述,基于地面LiDAR的建筑物三維重建可實(shí)現(xiàn)亞厘米級精度,對建筑物中下部以及內(nèi)部信息表達(dá)效果較好,可以還原出建筑物的實(shí)際場景,但對于建筑物頂部、上部,受限于地面三維激光掃描儀的作業(yè)模式,該重建方法對頂部信息的采集存在很大局限性,導(dǎo)致三維模型無法完整地表達(dá)出建筑物的全部信息。

4 結(jié)論

以較為復(fù)雜的建筑物為例,提出了基于地面Li-DAR 的三維重建方法。經(jīng)過外業(yè)激光掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維重建等過程,實(shí)現(xiàn)了建筑物實(shí)景三維模型構(gòu)建,并進(jìn)行了三維建模質(zhì)量評價。所得結(jié)論如下:

(1)所建模型對建筑物中下部以及內(nèi)部信息表達(dá)效果較好,可以還原出建筑物的實(shí)際場景。

(2)建筑物三維模型精度為:X、Y方向中誤差分別為±0.92 cm、±0.60 cm,平面中誤差為±1.10 cm,X、Y方向最大差值為1.36 cm。

(3)基于地面 LiDAR的建筑物三維重建方法構(gòu)建的三維模型幾何精度較高,可以用于礦區(qū)重要建筑物保護(hù)、礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。考慮到建筑物頂部、上部區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取較困難,融合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)用于建筑物精細(xì)建模是一個值得研究的方向。