三維激光掃描技術(shù)在古建筑圖紙繪制中的應(yīng)用

趙小祥，陳 勇，黃 亮

(江蘇省測(cè)繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

古建筑的造型變化多樣，諸如斗拱、飛檐等復(fù)雜部件很難使用標(biāo)準(zhǔn)的直線、弧線等幾何圖形表示，皮尺、鋼卷尺、竹竿、全站儀等傳統(tǒng)測(cè)繪儀器[1]存在很大的局限性，現(xiàn)場(chǎng)勾勒草圖[2]的方式效率也比較低。另外，局部大樣采用攀爬方式進(jìn)行測(cè)量，容易對(duì)歷史建筑造成不可逆的損壞。為此，本文以鹽城市大洋灣生態(tài)公園鹽瀆古鎮(zhèn)為例，探索將三維激光掃描技術(shù)[3]運(yùn)用到古建筑測(cè)繪中，實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、全要素的測(cè)量采集。目前，已有不少基于點(diǎn)云的古建筑測(cè)繪方法研究，許睿等人利用便攜式3D掃描儀對(duì)古建筑斗拱模型進(jìn)行建模[4]，但手持設(shè)備并不適用于大型建筑的整體測(cè)繪。馬宏毓以及王崇恩等人研究了三維激光掃描與建筑信息模型(BIM)相結(jié)合的技術(shù)[5-6]，但仍不成熟。張晨頤等人使用地面激光掃描儀對(duì)玉溪市文星閣進(jìn)行了三維建模[7]，但是直接在三維點(diǎn)云中勾畫邊緣線，對(duì)作業(yè)人員的技術(shù)要求較高。

本文通過點(diǎn)云切片、旋轉(zhuǎn)變換、邊緣檢測(cè)等方法，使得在三維點(diǎn)云中繪制平面圖、立面圖、剖面圖更加簡便。首先，在建筑外墻、室內(nèi)墻壁、內(nèi)外銜接以及樓層銜接等地方布設(shè)足夠數(shù)量、分布合理的靶標(biāo)，并架設(shè)自由站快速獲取點(diǎn)云；然后，提取靶標(biāo)中心作為配準(zhǔn)的公共點(diǎn)，將所有點(diǎn)云置于統(tǒng)一坐標(biāo)系下；最后，根據(jù)需要裁剪出點(diǎn)云切片，利用主成分分析[8]算法自動(dòng)變換旋轉(zhuǎn)到俯視視角，利用Canny算子[9]在柵格特征圖中提取邊緣線，并在AutoCAD軟件中根據(jù)切片點(diǎn)云修整邊緣線[10]，得到平、立、剖圖形所需線條。

1 數(shù)據(jù)采集預(yù)處理

1.1 儀器設(shè)備

三維激光掃描儀選用Leica ScanStation C10，如圖1(a)所示。掃描范圍0.1 m到300 m，垂直視場(chǎng)角270°，水平視場(chǎng)角360°，模型表面精度±2 mm，靶標(biāo)獲取精度±2 mm，最小掃描間距小于1 mm，最高速度5萬點(diǎn)/s。

靶標(biāo)選用Leica HDS黑白靶標(biāo)，在A4可粘貼紙張上打印，如圖1(b)所示。

圖1 儀器設(shè)備

1.2 三維激光掃描

為了減少外業(yè)工作量，使用自由架站的方式進(jìn)行三維激光掃描，因此需要事先布設(shè)靶標(biāo)，具體方法如下：

(1)針對(duì)室外，在每個(gè)外立面布設(shè)4個(gè)靶標(biāo)，兩邊靠近轉(zhuǎn)角處各布設(shè)1個(gè)靶標(biāo)，中間布設(shè)2個(gè)靶標(biāo)。要求4個(gè)靶標(biāo)不在同一高度，而是呈錯(cuò)落分布。

(2)針對(duì)室內(nèi)外銜接過渡，布設(shè)3個(gè)以上的靶標(biāo)，要求能被門內(nèi)外的設(shè)站同時(shí)觀測(cè)到，通常選擇門框側(cè)面或者門對(duì)面建筑。

(3)針對(duì)室內(nèi)，盡量選擇通視條件最好的地方布設(shè)靶標(biāo)，讓盡可能多的站點(diǎn)處觀測(cè)到。為了樓層之間的銜接過渡，在樓梯轉(zhuǎn)角處增加3個(gè)以上的靶標(biāo)。要求相鄰兩站之間，至少存在3個(gè)以上的公共靶標(biāo)。

靶標(biāo)布設(shè)完成后，開始進(jìn)行三維激光掃描，選擇自由架站方式、全景掃描模式、高分辨率。主要原則如下：

(1)先進(jìn)行外部掃描，再進(jìn)行內(nèi)部掃描。內(nèi)部先掃描低樓層，再掃描高樓層。每個(gè)房間都需要進(jìn)入獨(dú)立掃描，以減少盲區(qū)。

(2)為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，觀測(cè)角與主要掃描面之間的夾角需要大于30°。

(3)儀器盡量架設(shè)在地面、水泥板等剛性物體表面，盡量避開木板、鋼板等非剛性平臺(tái)。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

使用三維激光掃描儀配套的Leica Cyclone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、解析、配準(zhǔn)、去噪、裁剪等預(yù)處理操作。其中，配準(zhǔn)需要利用靶標(biāo)信息，效果如圖2所示，具體步驟為：

圖2 預(yù)處理成果

(1)在Cyclone軟件中打開基準(zhǔn)工程“Project R”，待配準(zhǔn)工程“Project A”，在Modelspace視圖中把點(diǎn)云模型調(diào)整到合適位置、大小、角度。

(2)創(chuàng)建Registration窗口，在Cloud Constraints Wizard窗口中建立“Project A”到“Project R”的幾何約束關(guān)系。

(3)在“Project A”與“Project R”之間選擇至少3對(duì)同名點(diǎn)(靶標(biāo)或者其他角點(diǎn))。

(4)實(shí)施配準(zhǔn)：依次操作Cloud/Mesh-->Cloud Constraint-->Optimize Cloud Aligment，彈出配準(zhǔn)結(jié)果窗口，檢驗(yàn)配準(zhǔn)精度。

在點(diǎn)云配準(zhǔn)完成后，還要使用統(tǒng)計(jì)濾波器(SOR，StatisticalOutlierRemoval)過濾掉點(diǎn)云中的隨機(jī)噪聲，并人工裁剪掉墻角處的植被等無用數(shù)據(jù)。

2 平立剖繪制

2.1 點(diǎn)云切片與旋轉(zhuǎn)

使用AutoCAD 2014及以上版本作為繪圖軟件，利用交互方式獲取繪制平面圖、立面圖、剖面圖所需的點(diǎn)云切片。

點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)依然是三維的，直接在三維點(diǎn)云中跟蹤邊緣線，由于視線方向的深度較大，會(huì)導(dǎo)致技術(shù)要求高、生產(chǎn)效率低、準(zhǔn)確率無法保證等不足。如果能將點(diǎn)云所呈現(xiàn)的平、立、剖面切換到正射視角，能夠極大提高后續(xù)作圖的速度與質(zhì)量，但手動(dòng)旋轉(zhuǎn)的方式無法實(shí)現(xiàn)精確變換。為此，本文引入三維主成分分析(PCA，Principal Component Analysis)，利用Eigen開源庫實(shí)現(xiàn)功能，主要步驟為：首先，求取切片點(diǎn)云的質(zhì)心坐標(biāo)，并將所有點(diǎn)的坐標(biāo)減去該值；接著，計(jì)算切片點(diǎn)云的協(xié)方差矩陣，得到3個(gè)特征向量及其對(duì)應(yīng)的特征值；最后，將最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量輸出為法向量。

計(jì)算法向量與豎直方向的夾角，在右手直角坐標(biāo)系中，前立面、左右剖面繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)該角度，后立面繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)該角度，左立面繞Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)該角度，右立面、前后剖面繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)該角度。均得到正射視角。本文利用liblas庫支持點(diǎn)云的讀寫，利用eigen庫支持點(diǎn)云的PCA計(jì)算以及旋轉(zhuǎn)矩陣運(yùn)算，最終對(duì)指定類型的點(diǎn)云切片實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換。效果如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云切片

2.2 平立剖繪制

在Cyclone軟件中將點(diǎn)云切片柵格化，生成二值特征圖，利用Canny算子提取邊緣線，并保存為dwg格式。AutoCAD軟件同時(shí)導(dǎo)入點(diǎn)云切片以及邊緣線，根據(jù)點(diǎn)云對(duì)邊緣線進(jìn)行編輯修改，生成最終的平面圖(圖4)、立面圖(圖5-圖6)、剖面圖(圖7-圖8)。

圖4 平面圖

圖5 前立面圖

圖6 右立面圖

圖7 東西向E-E剖面

圖8 南北向1-1剖面

3 結(jié) 語

本文方法首先利用三維激光掃描儀自由架站的方式快速獲取古建筑室內(nèi)室外的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，各站數(shù)據(jù)依靠靶標(biāo)進(jìn)行配準(zhǔn)。接著，按照平立剖需求對(duì)點(diǎn)云實(shí)施人工切片，并引入主成分分析方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云切片的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換。最后，利用Canny算子提取邊緣線，并在AutoCAD中結(jié)合點(diǎn)云編輯邊緣線生成平面圖、立面圖、剖面圖。該方法具備成本低、速度快、精度高等優(yōu)勢(shì)。但由于儀器設(shè)備的視角局限性，頂面數(shù)據(jù)缺失較多。因此，下一步工作需要研究無人機(jī)載激光掃描與地面激光掃描相結(jié)合的古建筑測(cè)繪方法，重點(diǎn)解決多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度。