基于激光雷達的建筑三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

王瑤瑤王京衛(wèi)趙莉莉

(山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,山東濟南250101)

0 引言

建筑作為人類文化的寶貴遺產(chǎn),不僅記錄了一個國家和民族特定歷史時期政治、經(jīng)濟、文化的發(fā)展歷程,而且是研究歷史文化的實物例證[1]。而建筑的保護是指對各種建筑文化遺產(chǎn)現(xiàn)場測量、記錄與恢復(fù)。傳統(tǒng)的建筑保護主要是以文字、圖表、影像等形式存儲建筑的三維信息。其不僅數(shù)據(jù)量巨大,而且不能獲取建筑準確的三維空間信息和結(jié)構(gòu)關(guān)系,對建筑的科學(xué)研究、重建、仿建和修復(fù)沒有很大價值[2]。傳統(tǒng)建筑測量方式不僅需要直接接觸建筑,而且效率低、精度不高。因而,傳統(tǒng)測量技術(shù)在建筑數(shù)字三維重建應(yīng)用領(lǐng)域存在一定局限性。激光雷達LiDAR(Light Detection and Ranging)技術(shù)作為建筑保護的一種新技術(shù)手段,具有非實體接觸、掃描速度快、獲取數(shù)據(jù)全面、數(shù)據(jù)精確的特點[3]。田繼承等利用LiDAR點云數(shù)據(jù)完成了對云岡石窟的三維重建[4],賀一波等將LiDAR技術(shù)應(yīng)用于古城墻,完成了甕城古城墻的建模及修復(fù)工作[5]。LiDAR技術(shù)能夠?qū)ㄖ膸缀魏图y理信息進行掃描,并以數(shù)字的形式存儲或構(gòu)建成三維模型,可有效防止文化遺產(chǎn)數(shù)字化過程中不同程度的損壞,這對建筑的保護、修復(fù)以及研究具有重要意義[6-7]。

隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)迅速發(fā)展,三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)成為GIS的一個重要發(fā)展趨勢[8]。相比傳統(tǒng)建筑保護方式,3DGIS更加逼真、更貼近人們的視覺習(xí)慣,能夠表達更多的空間關(guān)系,并且具有良好的可擴展性。利用3DGIS技術(shù)可以進行空間數(shù)據(jù)的存儲、表現(xiàn)、查看、管理、量算和分析。3DGIS技術(shù)的發(fā)展對建筑的數(shù)字化保護具有重大價值。蘭玉芳等[9]利用傳統(tǒng)三維建模技術(shù)結(jié)合ArcGIS軟件創(chuàng)建了校園3DGIS系統(tǒng)。在建筑數(shù)字化保護領(lǐng)域,將LiDAR技術(shù)和3DGIS技術(shù)結(jié)合應(yīng)用,可以彌補現(xiàn)有建筑存檔和保護形式中存在的不足,實現(xiàn)建筑數(shù)字化的永久保存。

文章以山東建筑大學(xué)校內(nèi)地圖地契展館——鳳凰公館為例,研究了LiDAR數(shù)據(jù)結(jié)合SketchUp軟件快速三維建模技術(shù)方法；以模型信息的三維管理與分析為目的,同時考慮點云數(shù)據(jù)在SketchUp軟件中的轉(zhuǎn)換和三維模型數(shù)據(jù)的屬性信息,實現(xiàn)了在ArcGIS中三維場景的構(gòu)建、空間信息的三維查詢與分析等功能。

1 基于激光雷達的建筑三維模型建立

1.1 激光雷達的工作原理

激光測距是LiDAR工作的主要原理,目前主要有3種方法:脈沖測距法、相位測距法和激光三角法。在測繪領(lǐng)域LiDAR主要采用脈沖測距法。脈沖測距法是一種高速激光測時測距技術(shù),LiDAR設(shè)備發(fā)射出單點的激光,同時記錄激光的回波信號。通過計算激光的飛行時間,來計算目標(biāo)點與遙感設(shè)備之間的距離[10]。在LiDAR設(shè)備中坐標(biāo)軸通常定義為:坐標(biāo)原點O位于激光束發(fā)射處,z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi),向上為正；x軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)并與z軸垂直；y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與x軸垂直,同時y軸正向指向物體,且與x、z軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系,如圖1所示。

圖1 LiDAR測量原理示意圖

假設(shè)α為激光束的豎直方向角,β為激光束的豎直方向角,S為儀器到被測量點的斜距。LiDAR所測量點P(x,y,z)的坐標(biāo)計算公式由式(1)表示為

LiDAR設(shè)備獲取被測物體表面每一個采樣點的空間坐標(biāo)后,得到的是一個點的集合,稱為“點云”,其每一個點的初始觀測值是一個距離值和2個角度值。LiDAR設(shè)備最終將每個點的原始觀測值轉(zhuǎn)換為被測物體的空間三維坐標(biāo)(x,y,z),并將這些數(shù)據(jù)存儲在特定格式的文件中。

1.2 點云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

鳳凰公館原位于西鳳凰街40號院,其尺寸為16.4 m×13.7 m×9.1 m(長×寬×高),是單體比較宏大的一座濟南近代建筑,至今已有100余年的歷史,其建筑形態(tài)對研究濟南近代史有重要的作用。日偽期間,這座建筑被日軍侵占,并將其設(shè)立為日軍的特務(wù)機構(gòu)——鳳凰公館。這棟建筑見證了當(dāng)年日本侵略者的滔天罪行,具有重要的歷史價值。

2009年,隨著舊城改造的開展,鳳凰公館按原有規(guī)模遷至山東建筑大學(xué)新校區(qū)進行異地重建,主要用于展示山東建筑大學(xué)收藏的地圖地契等,成為山東最早的建筑文化博物館,如圖2所示。

圖2 鳳凰公館圖

1.2.1 點云數(shù)據(jù)獲取

野外獲取點云是后續(xù)建模與應(yīng)用的基礎(chǔ),要求獲取的點云符合精度要求。掃描作業(yè)開始前的準備工作,一般包括儀器準備、人員組織、現(xiàn)場踏勘、后勤保障、測量控制點布設(shè)等。采用球形標(biāo)靶控制點方式拼接的情況下,掃描步驟的基本步驟主要為儀器安置、擺放球形標(biāo)靶、儀器參數(shù)設(shè)置、開始掃描、換站掃描、數(shù)據(jù)輸出、結(jié)束掃描工作[11]。根據(jù)鳳凰公館的地理位置及幾何形狀,s001-s005分別為掃描鳳凰公館布設(shè)的5個站點,如圖3所示,實驗表明,掃描站點的布設(shè)符合后期拼接重疊度的要求。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)在獲取的過程中受到環(huán)境和本身系統(tǒng)的影響,點云數(shù)據(jù)不能被直接使用,需要對其進行預(yù)處理。點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括點云去燥、點云拼接和點云裁剪[12-13]。實驗進行點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要通過FARO SCENE軟件實現(xiàn)。其為一款專為FARO(Laser Scanner Focus)3D和FARO(Scanner Freestyle)3D而設(shè)計的三維存檔軟件,將原始掃描點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入FARO SCENE中,可以進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖3 鳳凰公館掃描站點示意圖

標(biāo)靶拼接是點云拼接最常用的方法,在掃描站點設(shè)置時在掃描兩站的公共區(qū)域至少放置＞3個的標(biāo)靶球,球體目標(biāo)應(yīng)在特定的掃描距離內(nèi)[14]。以1/4掃描分辨率為例,標(biāo)靶球到掃描儀的距離＜18 m,標(biāo)靶球之間的距離＜60 m。在FARO SCENE軟件中,將五站數(shù)據(jù)導(dǎo)入,對其進行基于目標(biāo)的拼接,見表1,點云拼接平均距離均＜4 mm,完全能夠滿足拼接精度要求[15]。

表1 點云拼接精度表

由于LiDAR技術(shù)掃描的特點,會產(chǎn)生很多不必要的數(shù)據(jù),因此需要對拼接完成的數(shù)據(jù)需要進行裁剪,運用自動裁切框框選所需數(shù)據(jù),刪掉裁剪框外點云數(shù)據(jù),最后得到較為精簡的點云數(shù)據(jù),導(dǎo)出點云為接下來三維重建做準備。裁剪后點云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 裁剪后點云數(shù)據(jù)圖

1.3 三維幾何建模

傳統(tǒng)建筑三維建模通常采用輪廓線提取的方法,主要借助于AutoCAD軟件,也可以編程[16]。利用SketchUp軟件直接結(jié)合點云數(shù)據(jù)不僅降低了工作流程的復(fù)雜度,而且更加直觀具體,大大提高了工作效率。

1.3.1 點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

從FARO SCENCE軟件中導(dǎo)出來的點云數(shù)據(jù)格式為.lsproj格式,SketchUp軟件本身并不能識別此格式點云數(shù)據(jù),無法直接導(dǎo)入使用,因而在建模之前需要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式。在SketchUp軟件中安裝能識別點云數(shù)據(jù)的Undet for SketchUp插件。利用Undetfor SketchUp插件將.lsproj格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Sketch-Up軟件能直接使用的.ipcp文件。

1.3.2 三維幾何建模

由于鳳凰公館結(jié)構(gòu)比較規(guī)則,具有對稱性。利用裁剪框?qū)c云數(shù)據(jù)進行切片,在平面上根據(jù)點云提取鳳凰公館墻身邊界線,通過拉伸命令獲得鳳凰公館輪廓。根據(jù)生成的墻體輪廓和點云精細調(diào)節(jié)細部結(jié)構(gòu)。

鳳凰公館南北兩側(cè)各有3個窗戶,為了提高建模效率,對其中和一側(cè)進行精細建模,并將其創(chuàng)建成群組,利用鳳凰公館的幾何對稱性,將建好的窗子鏡像到另一側(cè)墻體。根據(jù)點云調(diào)整鏡像后群組的位置,用同樣的方法對西側(cè)窗戶和東側(cè)門進行建模。初步拉伸模型如圖5所示。

圖5 初步拉伸模型圖

由于在獲取點云過程中,東南側(cè)被樹木遮擋嚴重,無法獲取完整點云數(shù)據(jù),因此進行三維建模時,同樣利用鳳凰公館的幾何對稱性彌補點云缺失部分。鑒于屋頂部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,獲取完整點云數(shù)據(jù)的難度較大,因此借助全景效果圖和現(xiàn)場采集照片對其進行建模。綜合點云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場照片對屋頂進行輪廓線提取,首先繪制瓦片一側(cè),按照路徑跟隨命令生成瓦片,再利用屋頂輪廓將瓦片布滿整個屋頂。屋頂分為四面,利用屋頂輪廓線對其進行裁剪,得到完整的屋頂結(jié)構(gòu),如圖6所示。根據(jù)點云數(shù)據(jù)將屋頂部分和建筑主體部分組合在一起,如圖7所示。

圖6 屋頂模型圖

1.3.3 紋理映射

紋理映射是還原真實三維模型的重要步驟?；邳c云數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三維模型,已經(jīng)具有了良好的幾何精確性,但是為了滿足三維模型可視化的需求,還原三維景觀的表面細節(jié),還需要采用紋理映射技術(shù)對三維模型添加真實的色彩。紋理映射就是模擬真實景物表面紋理細節(jié),用圖像來替代物體表面紋理細節(jié),提高仿真度和系統(tǒng)顯示速度[17]。

利用Photoshop對前期采集的紋理進行拉伸變形,使其符合紋理貼圖規(guī)范,處理的重點在于使紋理尺寸與真實尺寸一致。為了使顏色更加統(tǒng)一協(xié)調(diào),使用顏色編輯器提取屏幕顏色,并將其運用到相同顏色的紋理圖像中。實驗紋理采用真實紋理,其映射后的三維模型如圖8所示,其映射細節(jié)部分如圖9所示。為了提高處理速度,方便后期數(shù)據(jù)管理以及三維瀏覽,先將三維模型進行分組管理,分為墻、屋頂、門窗等部分。

圖7 組合后三維模型圖

圖8 紋理映射后的三維模型圖

圖9 紋理細節(jié)部分圖

2 基于激光雷達的建筑三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

利用SketchUp建立的三維模型可以達到三維觀賞瀏覽的目的,但是對于建筑的數(shù)字保存和三維修復(fù),只建立三維模型無法獲得開展建筑保護所需要的屬性信息,不足以支撐建筑的數(shù)字化保存。因此,賦予三維模型屬性信息是建筑保護的核心部分。

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

利用ArcGIS特有的數(shù)據(jù)管理、可視化、空間分析等功能,結(jié)合SketchUp建立的三維模型數(shù)據(jù)實現(xiàn)對三維模型的屬性管理、空間分析以及可視化。SketchUp建模得到的數(shù)據(jù)為skp格式,ArcGIS不能直接對其進行編輯,需要將 skp格式轉(zhuǎn)換成Multipatch格式,并將其存儲在Geodatabase中,通過ArcSence對其進行編輯查看。ArcSence是1個用于展示三維透視場景的ArcGIS平臺,三維模型顯示效果圖如圖10所示。

圖10 在ArcSence中的三維模型顯示效果圖

2.2 建立建筑的信息數(shù)據(jù)庫

建筑的信息數(shù)據(jù)庫通常包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩部分。通過建立建筑信息數(shù)據(jù)庫,對建筑信息進行采集、存儲和管理,為建筑的修復(fù)和重建等提供原始數(shù)據(jù),還能夠作為分析展示和建筑評價體系的重要依據(jù)[18]。

2.2.1 空間數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫信息主要通過以LiDAR技術(shù)掃描獲得的點云數(shù)據(jù)和儀器自身攜帶相機獲取的數(shù)字圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得,包括平面圖、立面圖、三維掃描圖以及歷史修建圖紙等。

2.2.2 屬性數(shù)據(jù)庫

屬性數(shù)據(jù)庫信息主要通過以建筑自身信息為基礎(chǔ)獲取,如建筑結(jié)構(gòu)、高度、面積、位置等屬性信息,另外也包括與建筑相關(guān)的詳細歷史情況和建筑文化信息等[18]。建筑的屬性數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)見表2。

2.3 圖形與屬性的鏈接及其查詢

空間信息查詢是GIS主要特征之一。三維屬性查詢由屬性查詢工具實現(xiàn)。在激活查詢工具后,操作員通過選擇地面對象獲取要素的相關(guān)屬性。選擇對象的屬性信息顯示在屬性表中。通過超鏈接的方式不僅可以賦予構(gòu)建要素屬性信息,使屬性信息與建筑構(gòu)件相互關(guān)聯(lián),還可以對構(gòu)件要素或?qū)傩赃M行雙向查詢。利用 ArcGIS識別功能得到的牌匾查詢結(jié)果如圖11所示,點擊鏈接部分可以得到查詢對象的信息、圖片等。

表2 建筑的部分屬性表結(jié)構(gòu)表

ArcGIS的3D分析模塊不僅繼承了ArcGIS桌面的二維分析功能,還可以進行3D場景的動畫模擬。利用空間量測功能在三維顯示窗口內(nèi)可以量測平面之間的距離、建筑物的高度和地面物體的面積。使用測量工具在三維顯示窗口中繪制直線并獲得線上每個節(jié)點的坐標(biāo)信息。在測量狀態(tài)下,通過繪制線段,由空間坐標(biāo)計算整個線段表示的距離。

圖11 牌匾查詢結(jié)果圖

3 結(jié)語

相比傳統(tǒng)建筑測繪技術(shù),LiDAR遙感在建筑三維空間數(shù)據(jù)獲取方面具有獲取數(shù)據(jù)速度快、精度高、非接觸等優(yōu)勢。利用LiDAR遙感結(jié)合3DGIS,可建立建筑的三維信息模型,不僅能實現(xiàn)對建筑三維空間信息形象生動的表現(xiàn),而且還能對建筑空間信息和屬性信息進行管理、查詢與分析,為建筑文物保護、修繕、異地復(fù)原等工作提供詳細的工程數(shù)據(jù)。LiDAR遙感和3DGIS的快速發(fā)展應(yīng)用,為眾多建筑文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化提供了有效的手段,并將在珍貴古建筑文物價值的研究、傳播和利用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。