三維激光掃描技術在建筑立面改造中的應用

黃 敏

(武漢大學 遙感信息工程學院, 湖北 武漢 430079)

0 引言

三維激光掃描技術,又稱為“實景復制技術”。因其可以快速高效地獲取物體表面的點云數(shù)據(jù),將物體表面的幾何空間特征、反射率和紋理等信息以高精度、高分辨率、高密度的形式存儲記錄,故又被譽為“測繪領域繼全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)技術之后的一次技術革命”[1-3]。與傳統(tǒng)的單點測量的低效測量作業(yè)方式相比,三維激光掃描技術的運用使得測量進入面掃描的新局面?？梢愿诱鎸?、包容地反映出物體本身的信息。隨著三維激光掃描技術的不斷發(fā)展,三維激光掃描儀的自動化程度越來越高,操作性得到大大提升,絕大多數(shù)激光測量掃描系統(tǒng)都是自帶激光光源,使得測量作業(yè)擺脫了自然光照的影響,還原物體信息的能力大大增強[4-5]。

在建筑立面改造中,使用三維激光掃描技術可以在不到一分鐘內(nèi)就獲取到建筑的立面信息。這是傳統(tǒng)全站式測量所無法比擬之處,同時也是近年來越來越傾向于使用三維激光掃描技術來完成建筑立面改造的原因。本文在概述三維激光掃描測量系統(tǒng)原理的基礎上,以蘇州市某路沿街立面改造為例詳細說明三維激光掃描技術在建筑立面改造中的優(yōu)勢。

1 三維激光掃描測量系統(tǒng)原理

三維激光掃描測量系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀模塊、控制器模塊、計算機模塊、電源供電系統(tǒng)以及系統(tǒng)配套軟件等構(gòu)成[6]。三維激光掃描儀作為三維激光掃描測量系統(tǒng)的主要組成部分,是由激光收發(fā)器、由馬達控制可旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡、時間計數(shù)器(相位差計算器)、控制電路板、微處理器、CCD相機以及軟件等組成。三維激光掃描頭模塊的激光發(fā)射器通過反射棱鏡周期性地發(fā)射激光,激光接收器接收測量對象反射回來的激光信息,控制器模塊內(nèi)的距離測量單元根據(jù)激光收發(fā)器獲取激光傳輸過程的相位差(或時間差)信息以及記錄測量對象反射率信息,掃描控制單元控制激光的水平(垂直)掃描模式[7]。最后在計算機模塊進行相應的數(shù)據(jù)處理與存儲,得到物體三維坐標、反射率等信息(圖1)。

圖1 三維激光掃描測量系統(tǒng)原理

三維激光掃描技術的基礎是三維激光測距技術[8-9]。按照激光測距的原理,測距方式主要有脈沖距法、相位測距法、激光三角法等類型。當前,測繪領域所使用的三維激光掃描儀,主要采用基于脈沖法來進行長距離測距和采用相位干涉法和激光三角法來進行短距離測距。脈沖法測距的測程可達十幾千米,適合于大范圍的礦山測量;相位干涉法和激光三角法的測距精確度可到亞毫米甚至微米級,適合于文物保護和橋梁檢測。

圖2 三維激光掃描測量坐標系示意圖

三維激光掃描測量系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù),即為測量對象表面的三維坐標。如圖2所示,三維激光掃描儀在進行測量時,往往以其儀器自身定義的幾何中心作為坐標原點,儀器天頂方向為Z軸,X軸處于反射棱鏡的水平掃描平面內(nèi)朝向儀器外部,Y軸通過右手定則確定。通過激光傳播的脈沖差(或相位差)計算得到儀器坐標系原點O到測量對象P的距離L。而激光經(jīng)由掃描控制單元控制的反射棱鏡時,水平方向的旋轉(zhuǎn)對應圖示的水平角度φ,垂直方向的旋轉(zhuǎn)對應圖示的天頂角度θ。據(jù)此,可以得到測量對象坐標的計算公式為[10]:

(1)

2 技術方案總結(jié)

在建筑立面改造中,三維激光掃描技術方案一般為:根據(jù)測量項目的需要,前期盡可能多地收集到項目資料并初步制定測量項目規(guī)劃。進入測區(qū)進行實地踏勘以驗證項目規(guī)劃的可行性,然后分外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分進行三維激光掃描作業(yè)。最后得到項目所需的建筑立面成果圖。本文技術路線如圖3所示。

圖3 本文技術路線

3 應用案例

3.1 項目實施方案

對于蘇州市某路沿街立面建筑改造項目,因項目要求立面平面精度優(yōu)于5 cm,故采用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀結(jié)合Trimble RealWorks軟件的方法實施。

Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀是世界上第一款掃描速度達到百萬級點云每秒的三維激光掃描儀,基于相位式的測距方式最高可達到0.1 mm的分辨率,光束直徑大小約3.5 mm@1 m,其測程為0.3～187 m。52 s完成一個測站即滿足項目立面測量要求,可更換的內(nèi)置電源設計保證了測量的連續(xù)性與便攜性。一塊電池約1.2 kg可供連續(xù)掃描作業(yè)約4 h。該掃描儀的激光發(fā)射單元提供320°(垂直)×360°(水平)的寬泛掃描視野,可以有效解決沿街建筑出現(xiàn)的高樓以及植被覆蓋遮擋問題。

Trimble RealWorks軟件能夠很方便地處理大多數(shù)主流的三維激光掃描儀的原始數(shù)據(jù),并進行點云切片,然后無縫銜接導入到CAD中進行立面測圖。從高精度的三維激光點云數(shù)據(jù)到建筑立面圖生成的過程,毫米級精度損耗遠遠低于項目要求的5 cm。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀對項目建筑立面進行全要素幾何空間數(shù)據(jù)掃描。儀器安裝簡單,只需固定于腳架之上,無需標靶,采取自由設站。但儀器自攜帶基座可供整平,若掃描現(xiàn)場整平儀器,則點云配準后便不再需要重新定義水平方向。

為了在點云處理階段盡可能減少人工干預,提升全自動配準的精度,在掃描時需要注意:

(1)盡可能選取一個較大的入射角作為測站位置,掃描建筑立面。

(2)相鄰立面的掃描應保證有30%以上的重疊度。

(3)掃描設置為1 min一個測站,故實際有效測程常常為50～80 m。

(4)沿街建筑立面掃描作業(yè)時行人較多,在有行人遮擋的情況下,測站掃描結(jié)束后及時通過掃描預覽圖查看掃描質(zhì)量,決定是否需要補測,以保證數(shù)據(jù)的完整性。

(5)建筑轉(zhuǎn)角處兩側(cè)需設置測站,增加點云重疊度。

(6)做好測站分布記錄,以便隨時查看測站分布的合理性,以便于適當增加(或減少)測站密度,尤其是在對面沿街建筑立面掃描時可根據(jù)實際情況判定測站增減。

3.3 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理主要包括點云數(shù)據(jù)導出與轉(zhuǎn)換、點云數(shù)據(jù)配準、點云數(shù)據(jù)去噪、點云數(shù)據(jù)精簡和點云數(shù)據(jù)切片。

3.3.1點云數(shù)據(jù)導出與轉(zhuǎn)換

Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀有自身的數(shù)據(jù)管理和存儲格式.zfs,使得掃描測量得到的數(shù)據(jù)文件較小。在本次實例中,每站點云文件通常小于50 MB,共掃描得到101站有效原始數(shù)據(jù),整個項目原始數(shù)據(jù)文件大小為4.14 GB。儀器本身內(nèi)置存儲空間為64 GB,實際可用空間約為55 GB?？赏ㄟ^以太網(wǎng)連線導出或優(yōu)盤連接方式導出數(shù)據(jù)。

Trimble RealWorks軟件支持.tzf的數(shù)據(jù)格式作為三維激光掃描原始數(shù)據(jù)格式來處理,可以激活配準模塊實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的全自動配準。而從其他主流三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)只需導入數(shù)據(jù)后,再自動進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式即可達到同等效果,如Z+F、Riegl、Faro、Leica、Topcon。

3.3.2點云數(shù)據(jù)配準

無目標全自動配準功能是Trimble RealWorks軟件相對于其他點云處理軟件所不具備的巨大優(yōu)勢。但是在實際生產(chǎn)項目中,若僅使用無目標全自動配準就將所有101有效測站拼接一起,就需要完美的保持測站布置密度,保證點云重疊度在30%以上。在本例沿街建筑立面改造項目中,因部分測站數(shù)據(jù)未能滿足無目標全自動配準要求,故而耗費一晚上時間進行全自動配準后,自動分為8個配準組。這時需要再手動將非基準配準組拼接在基準組之上。

事實上軟件的全自動配準功能和手動配準功能都是基于迭代最近點(Iterative Closest Point)算法來實現(xiàn)點云直接的配準。在全自動配準模式下,軟件首先擬合各測站點云內(nèi)的平面,然后基于平面特征信息采用最小二乘法的最優(yōu)配準方法,按照掃描測站順序兩兩配準,在保證重疊率的條件下能夠?qū)崿F(xiàn),但是在測站數(shù)較多的情況下,重復性的計算便會呈幾何倍數(shù)的削弱計算機的計算能力,因此有必要提前分組,以20個測站為一組進行全自動配準,便在30 min內(nèi)完成配準工作。對于未自動配準到基準組上的測站點云采用手動配準的方式,只需在大致點位選擇對應關系點對3組,每選取一組關系點對的同時軟件都運用迭代最近點算法來計算最優(yōu)剛體變換,與全自動配準不同的是,此時我們用目視的方法檢查配準的收斂精度。

在全自動配準模式下,點云配準結(jié)果以初始時選定的基準測站為界,將所有的測站點云數(shù)據(jù)分為基準測站分組、非基準測站分組、未配準分組。此時的點云間整體間誤差只是簡單的所有測站點云配準誤差的加權(quán)標準差,并不具備測量意義。

將所有未配準到基準測站分組的點云通過手動配準結(jié)合無目標全自動配準的方式配準點云數(shù)據(jù),最后得到基于掃描的點云間整體誤差為11.3 mm。滿足項目測圖要求。

配準后建筑立面點云測量可知實際沿街立面長度約為1 157.6 m。

3.3.3點云數(shù)據(jù)去噪

借用圖像處理的知識,我們把目標點云外的所有錯誤或者額外的點都歸類為噪點,是在三維激光掃描過程中不希望存在的副產(chǎn)品。Trimble RealWorks軟件提供基于室內(nèi)和戶外的點云自動分類。對于室內(nèi)自動分類,若存在多樓層點云則必須手動分割樓層,以便于得到分割后的單獨點云,如地板、柵格地板、天花板、墻體等。對于戶外自動分類,則可以直接選擇設定想要分割的單獨點云,如地面、建筑、桿柱與標識、電力線、高植被等。

對于軟件的自動分類功能,一定程度上減輕了去噪的工作量,但是依舊有矮小的圍墻、沿街部分店鋪、植被遮擋的部分建筑等不少的建筑被遺漏,不適合直接進行操作,如圖4所示。仍舊需要手動花費少量時間對點云數(shù)據(jù)去噪,以便獲得全部沿街立面點云數(shù)據(jù)。

圖4 點云自動分類識別建筑點云

3.3.4點云數(shù)據(jù)精簡

原始的點云數(shù)據(jù)量非常龐大,每一測站數(shù)據(jù)約600萬量級的點云,全部101測站點云數(shù)據(jù)達到億級的海量點云數(shù)據(jù),相當影響點云處理效率。此外,為了保證拼接效果,總會有大量的重疊點云,即使在點云去噪之后依然還有億級的點云數(shù)據(jù)。為此有必要對數(shù)據(jù)進行精簡,一般通過在配準階段進行取樣和測量出圖階段取樣來精簡數(shù)據(jù)。

3.3.5點云數(shù)據(jù)切片

根據(jù)項目需要,沿街建筑立面改造以幢區(qū)分,緊挨著的建筑則為同一幢,因街道或道路分開的建筑則視為另一幢。因此有必要對點云數(shù)據(jù)進行切片,以便于快速得到單幢建筑的立面點云。在定義切平面時,Trimble RealWorks軟件提供多種法線定義模式,常用的如根據(jù)坐標軸、自由選點擬合平面、三點確定平面、與屏幕垂直的平面。然后確定切平面位置,通過偏移和指定坐標點位方式可以很容易地完成。最后定義切面,設置厚度,若建筑立面跨度較大,需適當設置間隔進行多切片以保留完整的立面切片。

3.4 建筑立面出圖

在三維激光點云處理完成后,建筑立面出圖有三種常用方式:

(1)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)直接利用點云切片數(shù)據(jù)通過折線繪制方式,鎖定投影面后繪制立面圖,最后輸出CAD實體,后續(xù)在CAD中進行標注,整理出建筑立面圖。

(2)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)基于切片或者原始點云數(shù)據(jù),選定投影面生成對應立面的正射影像圖,導入CAD中作為底圖參照進行建筑立面圖繪制。

(3)在Trimble RealWorks軟件內(nèi)將點云切片數(shù)據(jù)導出為CAD可識別的DWG格式文件,然后在CAD中可以很方便地進行建筑立面圖繪制。

最終繪制得到建筑立面圖如圖5所示。

圖5 建筑立面圖

4 結(jié)束語

在沿街立面建筑改造的實際案例中,運用三維激光掃描技術可以很容易、高效率、精確地完成立面圖繪制。本文使用Z+F IMAGER5010地面三維激光掃描儀,不到一分鐘的掃描時間就可以將測站全景視野范圍內(nèi)的建筑全要素空間幾何特征信息,以三維坐標和反射率為主要形式保存于計算機內(nèi),具備簡單高效直觀的優(yōu)勢,是傳統(tǒng)測量所無法比擬的。今后,運用三維激光掃描技術進行建筑立面改造將成為首選技術。