車載激光掃描系統在建筑立面測量中的應用

戶忠祥 韓友美 張攀科 劉東明 王懂懂

(1. 江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院, 江蘇 連云港 222000; 2. 北京四維遠見信息技術有限公司, 北京 100039)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快,城市面貌日新月異,與此同時智慧城市建設步伐也在不斷推進。建筑物是智慧城市的主體內容之一,其立面測量工作顯得尤為重要。另外建筑立面圖的需求不斷擴大,主要有以下幾個方面:城市規(guī)劃,在原有建筑物基礎上進行規(guī)劃設計的工程實例越來越多,需要快速精確地獲取建筑物外立面的數字線劃圖[1];建筑立面整治,美麗街區(qū)設計[2];舊城改造,城市的舊城改造因建筑年久失修及設計圖紙缺失,用測繪手段逆向獲取建筑立面圖紙[3];為規(guī)劃審批提供現狀建筑物立面窗洞的精確位置和尺寸,以進行日照模擬分析[4]等。傳統的建筑立面測量方法主要有三種:一是手工測量方法,也就是利用挑桿、掛尺、鋼尺、卷尺等配合進行測量,結合草圖進行繪圖;二是攝影測量的方式,采用近景攝影測量方法進行測量,也就是通過解算數碼相機的內、外方位元素,以數字方式存儲影像為基礎,在計算機上進行內業(yè)數據處理,通過計算、平差獲取目標空間坐標進行繪圖;三是工程測繪方法,即利用全站儀獲取建筑物的三維坐標,建筑物外輪廓重要特征點,如窗戶、門等,再配合人工手繪的草圖,在繪圖軟件中繪制成圖[5]。以上方法存在采集點位信息的工作量較大,人工參與度較高,具有一定的危險性等問題。因此,為了迎合各類需求、提高建筑立面測量效率,有必要探索新的技術方法。

近年來三維激光技術逐步發(fā)展起來,其具有實時性、主動性、非接觸、面測量的優(yōu)點,可用來快速獲取大量的地物三維信息。目前三維激光掃描測繪系統依據承載平臺可劃分為星載激光掃描儀、機載激光掃描系統、車載激光掃描系統、地面三維激光掃描系統和手持式激光掃描系統五大類[6]。很多學者將地面三維激光掃描系統運用到建筑物立面測量中去,李婉、黃雪等利用地面三維激光掃描儀對建筑物進行立面測量,坐標系為建筑坐標系[7-8]。張文洪等采用首先進行觀測控制網的布設,其次確定掃描站點的方法來獲取絕對坐標值[9]。彭勁松采用RTK或全站儀采集測站外部坐標方法進行后續(xù)配準拼接坐標轉換[10]。但是由于單站的測量范圍有限,面對大范圍的建筑物外立面測量時,需要多次搬站,大大降低了數據采集效率。

車載激光掃描系統能夠快速獲得高精度、高密、度大量的目標物三維真實坐標,越來越多的學者研究車載激光掃描系統的應用方向,主要有以下幾個方面:道路竣工測量[11]、道路斷面采集[12]、地籍測量[13]、城市大型立交橋三維建模[14]。車載激光掃描系統通過載體的移動能夠快速獲取大面積點云,點云數據成果為絕對坐標系,無須站間拼接,往返掃描補充遮擋缺失區(qū)域。本文采用北京四維遠見信息技術有限公司自主研發(fā)的SSW車載激光建模測量系統設計了建筑物立面測量技術方案,并用實驗對其進行了驗證。

1 車載激光掃描系統組成及工作原理

車載激光掃描系統由車載平臺、激光掃描儀、全球定位系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、里程計(Distance Measuring Instruments,DMI)、紋理采集系統、控制系統、電源系統等構成[15]。

(1)

其中，α、β分別為激光掃描儀內部的激光反射鏡在水平方向的旋轉角度和在豎直方向的旋轉角度。

絕對坐標的測量是由GNSS、IMU和里程計信息實現,利用GNSS對系統進行初始定位,IMU進行初始對準,獲得開始測量時的系統準確的坐標和姿態(tài),結合GNSS、IMU和里程計的組合導航獲取激光掃描儀的準確坐標,再加上以激光掃描儀為中心的局部坐標系,通過坐標軸的旋轉變換從而實現目標反射點的絕對坐標計算。

目標物的表面紋理信息由相機進行采集,同時還會有一個相機的曝光返回時間,用來記錄像機曝光時刻的時間,通過和軌跡結合計算出外方位元素[15],以便于后期對目標物進行紋理匹配。

以上所有的傳感器都是通過時間同步控制器觸發(fā)脈沖實現數據的同步采集,車載上方的平臺將所有傳感器固定在一起,這樣就保證了傳感器與平臺之間的姿態(tài)是同步的,各傳感器之間的坐標關系就可以確定。各傳感器之間的相對位置關系與姿態(tài),即它們的相對外方位元素的測定是由外業(yè)掃描檢校場來完成的。

2 車載激光掃描建筑物立面測量方案設計

基于車載激光掃描系統特點,設計了建筑物立面測量的技術方案如圖1所示。

圖1 車載激光掃描建筑物立面測量技術方案

2.1 測區(qū)確定及勘察

首先明確數據采集的范圍,即確定測區(qū)。其次車輛在進行外業(yè)數據采集時,可能因為一些意外的道路交通情況而影響行駛路線和采集范圍,進而影響作業(yè)有效率,所以在開展車載測量之前有必要對測區(qū)進行初步地勘察,勘察可采用實地勘察或地圖觀察,以便于確定正式作業(yè)時的行駛路線。

2.2 外業(yè)數據獲取

外業(yè)數據采集是車載系統到達測區(qū)后,架設GNSS基站,選擇附近無高大樹木與建筑物的空曠地帶進行初始化,主要為GNSS定位與IMU地對準,初始化之前通過控制軟件設置各項傳感器的采集參數,如激光掃描的設置參數有脈沖發(fā)射頻率等。初始化工作結束后,按照設計好的行車路線進行掃描作業(yè)。

對于道路兩側樹木遮擋嚴重的地區(qū)可以采用大車先掃描,小車后補掃的方法進行,即大車按正常作業(yè)掃描之后,再把掃描測量設備固定在小的移動平臺上,如電動三輪車,小車在人行道上行駛進行補掃,能達到掃描范圍的最大覆蓋。

掃描作業(yè)完成后,同樣選擇GNSS信號干擾少的地點進行結束化,將采集的原始數據拷貝到電腦計算機內,方便后續(xù)內業(yè)處理。

2.3 內業(yè)數據處理

內業(yè)數據處理時,首先需要將原始數據如GNSS數據、IMU數據、里程計數據、相機照片、激光數據等進行預處理,主要是解碼與轉換格式,預處理結束之后使用商業(yè)軟件IE(Inertial Explorer)將里程計數據、IMU數據、GNSS數據進行組合導航解算,生成行車采集的軌跡信息。最后將激光點云數據與組合導航解算結果進行融合,得到有位置和姿態(tài)信息的點云數據,實現點云坐標的重新定位和賦值。

在點云工作站內加載融合后的點云數據,進行點云的去噪,主要是過濾掉空氣中的噪聲點等。一個比較簡單常用的方法就是移除離群點,根據空間點半徑范圍鄰近點數量來濾波,在點云數據中,設定每個點一定半徑范圍內周圍至少有足夠多的近鄰,不滿足就會被刪除。

2.4 立面圖編輯與成圖

進行立面圖編輯時,選擇合適視角建立輔助面,在輔助面上進行矢量編輯,確保所有矢量都在一個立面上,空間中的點云投影到立面的原理如下:

已知空間中三個點P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),能夠唯一確定一個空間平面方程Ax+By+Cz+D=0,其中：

(2)

(3)

(4)

將(3)、(4)兩個式子代入平面方程Ax+By+Cz+D=0,可以解得：

(5)

從而可以解得

(6)

(7)

由此得到空間三維點P0(x0,y0,z0)在平面內的投影坐標P(xp,yp,zp)。

(8)

解得

(9)

由此得到旋轉后的水平面坐標(x′,y′,0)。

立面編輯完成之后將其旋轉至水平面,在點云處理軟件中導出DXF格式加載到CAD中顯示,最終成圖。

2.5 精度評定

外業(yè)作業(yè)時,實地用手持激光測距儀量測一些門窗的長度,并在繪制的立面圖中選擇同樣門窗位置進行量取,以便對立面圖成果進行精度評定。

3 車載掃描實驗

本次實驗采集的區(qū)域為山西右玉縣玉林東西街,長約2.5 km,采集道路兩側的建筑物立面信息,測區(qū)范圍為城市道路,地形平坦、沿路方向通視良好,但道路兩側有機動車輛停放,對三維掃描測量有一定影響。

本次實驗采用的是RIGEL VUX-1HA激光掃描儀,激光脈沖發(fā)射頻率最大1 000 kHz,激光掃描線頻最大250 Hz,最大測程為420 m,目標反射率80%,視場范圍360°,測量精度能夠達到5 mm。整個測量外業(yè)包括系統初始化和結束化時間,共用時2 h,外業(yè)采集結束后,將相關采集的原始數據拷貝到電腦計算機內,為內業(yè)數據處理做準備。

對外業(yè)采集數據進行處理,組合導航生成車行掃描軌跡,再利用點云生產軟件將激光原始數據與軌跡數據進行融合生成點云數據,內業(yè)數據解算共用時3 h。在SSW車載激光建模測量系統配套的SWDY點云工作站中將融合后的點云數據加載顯示,圖2與圖3分別為點云圖和建筑物影像圖。

圖2 點云圖

圖3 建筑物影像圖

在點云工作站進行人機交互的矢量編輯。建立輔助面圖層,以確保所畫的圖形都在一個立面上,每個人的立面矢量編輯作業(yè)效率為300 m/d,編輯完成之后選擇處理軟件的立面矢量旋轉到水平面功能進行投影,得到二維的建筑物立面圖。導出DXF格式到AutoCAD中加載顯示。

博世GLM7000手持激光測距儀的測量精度為1.5 mm,用其對一些門、窗等結構進行丈量并與立面圖中門窗的量取值做比較,對比結果如表1所示。

表1 建筑物立面測量精度

從抽樣結果可以看出窗戶的量測精度相對偏低,分析原因是點云采集時,由于玻璃材質對點云的反射產生了干擾,還有人工選取門窗角點附近最近的點云帶來的誤差,進而影響立面圖的繪制。總體而言平均偏差在36 mm左右。

4 結束語

本文嘗試將車載激光掃描系統運用到建筑物外立面的測繪工作中,設計了一套高效的立面圖測繪方法。該方法充分借助車載激光掃描系統的移動速度快、獲取點云信息量大、無須站間拼接的優(yōu)勢,大大節(jié)省了外業(yè)作業(yè)時間,提高了建筑物立面圖的測繪效率,同時改善了測量人員的工作環(huán)境,減輕外業(yè)人員勞動強度。內業(yè)方面,研究了立面圖繪制的原理,結合車載激光掃描系統SSW的后處理軟件,人機交互地完成了基于激光點云數據快速繪制建筑立面圖,數據處理自動化程度高,建筑物立面測量精度較高,立面圖繪制成圖人機交互環(huán)境友好。本文提出的建筑物立面測量的實施技術方案,通過實驗驗證了此方案的可行性與高效性,對于得到的建筑物外立面圖,后續(xù)可用于制作BIM模型等其他用途。同時本文的研究也為車載激光掃描系統的廣泛應用提供了參考,并對相關項目實施有一定的借鑒意義。