融合點云在古舊建筑物改造修繕中的應用

高元鵬

(海南水文地質工程地質勘察院,海南 ?？?570100)

0 引言

古建筑是凝固的藝術,是歷史的痕跡。但是隨著風雨的侵蝕,許多古舊建筑物破敗不堪,急需進行改造修繕,而在改造前需要獲取建筑物詳細的平、立、剖面圖紙等基礎資料[1]。目前常用的測量方法有全站儀方法、尺量法等,這些方法測量效率低下且易漏測、采集信息不全面,不能夠很好地滿足設計、施工的需求。針對這些問題,國內學者做了很多的研究,提出使用地面三維激光掃描儀來對建筑物進行測量,三維激光掃描儀可以高效、全面地進行現場數據采集,同時還可以獲取現場的照片、紋理等信息[2-5],但是該方法無法對屋頂等視覺盲區進行測量。針對這個問題,采用一種地面三維激光掃描點云與無人機傾斜點云相結合的方法。通過計算兩種點云數據之間的轉換參數,將地面三維激光掃描點云與無人機傾斜點云的屋頂部分進行融合,可以得到完整的建筑物點云數據[6]。根據對實際案例的應用分析,融合點云的精度較高,滿足繪圖的要求。繪制得到的平立剖圖紙以及融合點云數據有效地保障了筑物改造修繕工作的順利進行。

1 數據獲取

1.1 地面掃描點云數據獲取

三維激光掃描技術又被稱為實景復刻技術,能夠對掃描場景進行真實的還原,是測繪領域繼衛星導航之后的又一項技術革新。相比于全站儀方法、尺量法等,具有非接觸、掃描速度快、獲取信息量大、實時性強以及自動化程度高等特點[7-9]。

1.1.1外業數據采集

外業作業使用Leica RTC360地面三維激光掃描儀(圖1),Leica RTC360攜帶方便且掃描速率快,每秒鐘可達200萬點,極大地提高了外業效率。測量精度高,20 m內測量精度可達2.9 mm。

圖1 Leica RTC360三維激光掃描儀

在進行外業掃描前,需要對現場進行踏勘并規劃合適的掃描線路。同時應在建筑物的四角選取合適的標靶布設位置,并測量其絕對坐標。外業掃描時應保證相鄰測站之間具有充足的公共部分,保證掃描的質量。

1.1.2數據預處理

點云數據預處理主要包括配準拼接、坐標系轉換、噪聲處理。對掃描數據進行配準拼接,可根據現場參照物是否充足選擇目視配準和標靶配準,當重疊度過低或配準質量較差時,應及時補測。將拼接無誤的地面點云數據通過七參數模型進行坐標系轉換,采用的標靶點至少3個且應分布均勻。為了方便后續的繪圖等工作,還應對噪聲點進行去除,例如將外圍無關數據進行剔除。

1.2 無人機傾斜點云數據獲取

航飛前需要對現場進行踏勘,規劃合理的航線,同時還需進行空域申請、數據資料收集、像控點布設和測量等工作。外業航飛采用飛馬D200無人機搭載D-OP400傾斜模塊進行作業。對外業采集像控點、影像及定位定姿系統(position and orientation system,POS)數據進行整理,針對影像中曝光不足、輕度霧霾等現象,進行勻色處理。進行空三解算后,導出點云成果[10-15]。

2 點云融合

地面三維激光掃描儀能夠對建筑物的室內外進行詳細準確地掃描,但是對于建筑物的屋頂等視覺盲區無法測量,這就會在建筑物點云上產生大片的孔洞,這就會對后續的繪圖、設計等工作產生不好的影像。無人機傾斜點云能夠對屋頂以及位置偏高的立面進行較好的測量,但是對于靠近地面或位置較低的區域會產生較大的變形。綜合兩種點云的優點,將兩種點云數據進行融合,即可以得到建筑物完整的點云數據[16]。

以地面掃描點云作為基準點云,在地面掃描點云和無人機傾斜點云上選擇4對以上的公共點,按式(1)計算坐標系轉換參數,將無人機傾斜點云的屋頂部分轉換至地面掃描點云上。

(1)

其中,

(2)

式中,θ、φ、φ為X軸、Y軸、Z軸所對應的旋轉角;A、B、C為位移參數。

3 案例應用

現需對某建筑物進行改造,需要獲取詳細的平立剖圖紙等基礎測繪資料。由于建筑物復雜且需要信息較多,使用全站儀等方法無法滿足測量要求,因此對改造建筑物使用Leica RTC360地面三維激光掃描儀進行掃描,外業共掃描196個測站,耗時20 h。經過數據處理后得到建筑物的內外點云數據,建筑物的屋頂點云數據明顯缺失(圖2)。

圖2 地面三維激光掃描數據

同時采用全站儀方法對建筑物的特征點進行測量,并與掃描點云進行對比分析(表1)。X坐標較差絕對值最大值1.8 cm,絕對值最小值0.2 cm,中誤差1.4 cm;Y坐標較差絕對值最大值1.7 cm,絕對值最小值0.3 cm,中誤差1.1 cm;Z坐標較差絕對值最大值1.9 cm,絕對值最小值0.2 cm,中誤差1.1 cm。根據對比分析結果,地面三維激光掃描數據與全站儀測量結果一致,地面三維激光掃描數據精度可靠。

表1 全站儀數據與地面三維激光掃描數據對比分析

對改造建筑物使用飛馬無人機搭載D-OP400傾斜模塊進行航測,經過數據處理后得到建筑物的傾斜點云數據,將傾斜點云數據與地面三維激光掃描數據靠近屋頂重疊區域的距離尺寸進行對比分析(表2)。較差絕對值最大值2.4 cm,絕對值最小值0.9 cm,中誤差1.6 cm。根據對比分析結果,傾斜點云數據與地面三維激光掃描數據在靠近屋頂重疊區域相對關系一致,傾斜點云數據能夠對屋頂等數據缺失部分進行很好的補充。

表2 傾斜點云數據與地面三維激光掃描數據距離尺寸對比分析

選取地面掃描點云和無人機傾斜點云公共點4對,按式(1)計算轉換參數,將無人機傾斜點云轉換至地面掃描點云上,轉換殘差見表3。X方向殘差絕對值最大值1.7 cm,絕對值最小值0.6 cm,中誤差1.1 cm;Y方向殘差絕對值最大值1.2 cm,絕對值最小值0.7 cm,中誤差1.0 cm;Z方向殘差絕對值最大值1.1 cm,絕對值最小值0.4 cm,中誤差0.7 cm。根據殘差結果,轉換精度較高。經過轉換融合得到最終的建筑物點云數據(圖3)。

表3 坐標轉換殘差表

圖3 融合點云數據

將完整的點云數據通過CloudWorx插件導入CAD(計算機輔助設計,computer aided design)當中,根據建筑物布局重新定義坐標系。通過對點云數據在不同方向、不同位置做切片,在CAD當中即可以繪制出詳細的平立剖圖紙(圖4),設計單位根據點云數據、圖紙以及掃描儀拍攝的照片等信息即可以進行設計。

(a)分層平面圖

4 結束語

針對常規的測量方法存在著效率低下、易漏測、采集信息不全面等問題,采用地面三維激光掃描儀進行數據采集,三維激光掃描儀能夠在較短的時間內獲取海量的點云數據以及顏色紋理等信息。但是地面三維激光掃描儀對于屋頂等視覺盲區無法進行測量,因此本文采用了一種融合點云的方法來解決這個問題。通過計算地面三維激光點云和無人機傾斜點云之間的轉換參數,將地面三維激光點云和無人機傾斜點云的屋頂部分進行融合,即可以得到建筑物的完整點云。對融合點云做切片處理,即可以繪制得到建筑物的平立剖圖紙。

根據對實際案例的應用分析,地面三維激光掃描數據與全站儀測量結果一致,點云精度可靠;傾斜點云數據與地面三維激光掃描數據在靠近屋頂重疊區域相對關系一致;坐標轉換殘差小,融合點云的精度較高。融合點云數據以及繪制得到的圖紙能夠很好地滿足設計、施工等后續工作,保障了建筑物修繕改造工作的順利進行。當前城市更新如火如荼地進行,基于融合點云的測量方法有效地解決了古舊建筑物測量難的問題,具有較高的應用價值。