三維激光點(diǎn)云聯(lián)合無人機(jī)影像的古建筑重建

張文春，范洪洋，劉永吉，林 楠，張海明

(1. 吉林建筑大學(xué)測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長春 130118； 2. 吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026)

中國古建筑被人們喻為“矗立在中華大地上的史書”，以其獨(dú)具特色的建筑風(fēng)格而備受關(guān)注[1-2]。近些年來，對(duì)古建筑的保護(hù)工作雖然在不斷開展，但卻多為傳統(tǒng)方式。由于古建筑本身存在易損壞、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，在施測(cè)過程中，往往會(huì)造成不可逆的毀滅性破壞[3-4]。因此，探索出一套對(duì)古建筑“零破壞”的保護(hù)施測(cè)方案，刻不容緩。國內(nèi)外的許多專家學(xué)者都曾試圖通過新型的測(cè)量手段對(duì)古建筑進(jìn)行重建，其中文獻(xiàn)[5]利用三維激光掃描儀和紅外熱像儀對(duì)位于Cosenza的教堂和修道院進(jìn)行掃描并創(chuàng)建模型，得出一種針對(duì)古建筑保護(hù)的綜合方案。文獻(xiàn)[6]通過快速得到古建筑三視圖，在結(jié)合古建筑先驗(yàn)知識(shí)的情況下，提出利用點(diǎn)云重建建筑投影正向設(shè)計(jì)出古建筑模型的思想。文獻(xiàn)[7]利用點(diǎn)云進(jìn)行逆向建模，通過量取特征線、特征面的角度和尺寸等信息，最后通過正向設(shè)計(jì)得到古建筑模型。上述實(shí)例雖然都創(chuàng)建了古建筑的模型，正向或逆向得到了二維設(shè)計(jì)圖紙，但都存在著一些問題。例如，建模精度難以滿足室內(nèi)外一體化的要求，點(diǎn)云的“空洞”區(qū)(如屋頂部分)模型和圖紙精度較低等。本文以哈爾濱紅霞街99號(hào)外僑私邸為依托，綜合運(yùn)用三維激光掃描、無人機(jī)航測(cè)、高精度正射影像繪圖等技術(shù)，提出一種高效、實(shí)用的圖紙復(fù)原及模型創(chuàng)建的研究方案，是古建筑重建的一種新思路，對(duì)古建筑保護(hù)有著重要的價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本試驗(yàn)采用德國Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀對(duì)古建筑室內(nèi)外進(jìn)行掃描，為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整及繪圖與建模的精度，首先對(duì)古建筑進(jìn)行踏勘環(huán)視，規(guī)劃出室內(nèi)外最佳掃描路線，保證站站間重疊度在10%以上，測(cè)量距離不超過15 m，開啟全景拍照模式對(duì)古建筑進(jìn)行拍照，最終獲得102站掃描數(shù)據(jù)。室內(nèi)、室外掃描站位置如圖1、圖2所示。顧及點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)測(cè)站配準(zhǔn)的需要，在掃描的同時(shí)繪制各掃描站位置關(guān)系圖、室內(nèi)外銜接關(guān)系草圖、不同樓層間貫通關(guān)系圖及儀器異常參數(shù)等，最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的“空洞區(qū)”(點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失)進(jìn)行記錄和標(biāo)注。本試驗(yàn)采用的無人機(jī)為精靈Phantom 3 Advanced無人機(jī)，通過傾斜攝影的方式，獲取古建筑樓頂、各立面高清航拍圖，利用篩選和分類后的影像圖來彌補(bǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不足。拍照過程采用多角度手動(dòng)拍照模式，照片最大分辨率4000×3000像素，拍攝距離小于20 m。無人機(jī)拍攝的樓頂與西立面如圖3、圖4所示。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用最鄰近迭代配準(zhǔn)(iterative closest point，ICP)算法完成測(cè)站的配準(zhǔn)工作，ICP算法是一個(gè)迭代優(yōu)化的過程，通過不斷對(duì)變換矩陣進(jìn)行優(yōu)化，最終得到最優(yōu)變換矩陣R和T，使得多次迭代后得到的目標(biāo)函數(shù)最小，即

(1)

多次迭代后，計(jì)算前后兩次迭代結(jié)果誤差ε，若滿足要求則停止迭代，若不滿足則重復(fù)迭代[4]。

(2)

2 古建筑重建

2.1 創(chuàng)建正射影像

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)古建筑的各側(cè)面、剖面、細(xì)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行點(diǎn)云正射影像的創(chuàng)建。正射影像的創(chuàng)建是通過設(shè)框選擬創(chuàng)建點(diǎn)云影像的區(qū)域，將區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)作法平面的正射投影，得到基于法平面的灰度圖如圖7所示。通過逐層、逐立面、逐細(xì)部創(chuàng)建的方式得到繪制古建筑平、立、剖面圖及創(chuàng)建模型所需的所有圖像如圖8所示。

2.2 繪制古建筑平、立、剖面圖及三維模型

本試驗(yàn)基于Autodesk CAD平臺(tái)，利用繪制完成的正射影像描繪出古建筑的平、立、剖面圖。對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失、正射影像不清晰的部位則通過無人機(jī)影像對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)繪。繪制過程嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖》(11G101)、《民用建筑設(shè)計(jì)通則》等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行繪制[9]。以繪制完成的二維圖紙為基準(zhǔn)，配合無人機(jī)影像及點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成對(duì)古建筑三維模型的創(chuàng)建。東、南、西、北立面圖如圖9所示，剖面圖如圖10所示，一層平面圖如圖11所示，三維模型如圖12所示。

2.3 精度分析

表1 圖紙精度分析 mm

3 結(jié) 語

本文以哈爾濱紅霞街99號(hào)外僑私邸為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)和無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的古建筑重建過程，為古建筑的重建提供了新的研究思路。研究得出：①采用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)影像結(jié)合的方法，避免了傳統(tǒng)測(cè)量手段對(duì)古建筑的“二次傷害”，以數(shù)字化三維模型的形式和AutoCAD格式的平、立、剖面圖形式能更精確地再現(xiàn)、記錄、重建古建筑。②基于創(chuàng)建完成的古建筑三維模型，可通過對(duì)墻體、門、窗等構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)古建筑保護(hù)過程中的全生命周期管理，對(duì)古建筑的保護(hù)及重建有重要意義。