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1、三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究 张立伟 刘鹏飞 李冠 北京市勘察设计研究院有限公司 摘 要： 古建筑测绘是指测量建筑物的形状、大小和空间位置, 并在此基础上绘制相应的平、立、剖面图纸。但是, 随着测绘技术的革命性变革, 传统测量手段已无法完全满足实践的要求。三维激光扫描技术的发展为全面获取建筑物表面的三维数据提供了可能。本文详细论述了三维激光扫描技术的特点和优势, 研究了点云数据的采集、去噪、拼接以及立面图的制作, 尝试了古建筑建模的方法;通过项目实例, 总结出外业“控制与碎步相结合”+内业“先单体, 后整合”的整体解决方案。结果表明:利用三维点云数据制作的立面图可以直观的体现古建筑
2、的结构形态。关键词： 古建筑测绘; 三维激光扫描; 点云拼接; 正射图; 三维建模; 作者简介：张立伟 (1982-) , 男, 内蒙古赤峰人, 硕士, 高级工程师, 从事测绘地理信息工作。E-mail:z_l_收稿日期：2017-11-06Reasearch of 3D Laser Scanning Technology in Surveying and Mapping of Ancient BuildingsZHANG Liwei LIU Pengfei LI Guan Beijing Geological Institute Engineering Consultants Company
3、 Limited; Abstract： Ancient building surveying and mapping refers to measuring the shape, size and spatial location of a building, and drawing corresponding flat, vertical and cross-sectional drawings on the basis of this.However, with the revolution of surveying and mapping technology, the traditio
4、nal means of measurement can not fully meet the requirements of practice.The development of 3D laser scanning technology has made it possible to fully acquire the 3D data of the building surface.In this paper, the characteristics and advantages of 3D laser scanning technology are discussed in detail
5、.The collection, filter, registration of point cloud data and vertical section making are studied, and tried to make the modeling of ancient buildings.Through the project case, put forward the overall solution which is“Combined with the control survey and scratch survey”and industry first monomer, a
6、fter the integration.The results show that the vertical section made by 3D point cloud data can directly reflect the structure of ancient buildings.Keyword： ancient architecture mapping; 3D laser scanning; registration; orthographic map; 3D modeling; Received： 2017-11-061 引言古建筑测绘从技术上属于测绘学分支中的工程测量, 但
7、由于其具有历史意义, 因此又不同于工程测量。为了给古建筑保护提供准确而又翔实的资料, 需要对古建筑的相关几何、物理和人文信息及其随时间变化的信息适时进行采集、测量、处理、显示、管理。传统古建筑测绘一般采用全站仪、卷尺等工具进行人工测量, 这种方式需要耗费大量的人力和物力, 测量的精度也比较低, 而且因其操作属于接触性测量, 可能会对文物产生二次破坏1, 造成不必要的损失。与传统的测量的方式相比, 三维激光扫描技术具有非接触性, 应用于古建筑测绘中, 既能节省人力、物力, 保证工作人员的安全, 也能减小对文物的损害;三维激光扫描能够高速获取建筑物表面大量数据, 可以很大程度上保证古建筑的数据的完
8、整性;测量成果丰富, 能满足不断增长的应用需求、符合未来发展趋势。本研究以北京某四合院三维数字信息采集项目为依托, 探讨了三维激光扫描技术在古建筑三维数字化、数据预处理及正射图制作方面的相关技术问题, 并采用第三方软件对古建筑三维建模技术进行了尝试。2 三维激光扫描数据处理2.1 外业扫描2.1.1 激光扫描原理地面三维激光扫描系统包括两个主要的运行过程:一是多面反射镜的转动, 可以精确的记录角度值;二是将脉冲按照预定的方向快速发射, 使其沿横、纵向的执行快速扫描。通过以上运行过程, 三维激光扫描获得的原始数据主要包括:激光反射镜在水平方向的旋转角度 ;在竖直方向的旋转角度 ;激光反射回来后扫
9、描点到仪器坐标中心的距离 S;扫描点的反射强度及场景影像数据等2。根据扫描原理, 利用扫描仪获取的原始数据, 可以计算出目标物表面某扫描点相对于仪器中心的三维坐标值, 其原理如图 1 所示。图 1 扫描点 p 坐标计算 下载原图由此得到扫描点三维坐标的计算公式 (1) :被扫描到的点带有三维坐标信息和激光反射信息, 扫描点数据被保存到扫描工程中或内置 SD 卡中, 这是目标物体重建的原始数据。一般情况下, 扫描仪记录的点云数据会按照目标物体的轮廓形态以一定的顺序记录3。2.1.2 外业实施(1) 控制测量在古建筑周边均匀布设控制点以保证对扫描数据形成整体控制。在各个控制点建立扫描站, 采用反射
10、片真实坐标作为该站坐标转换的依据。同时, 古建筑周边需建立附和或闭合扫描线路, 并且每个扫描站均做控制。(2) 扫描测量针对各个建筑立面特点循序渐进选择架站位置进行扫描, 最后对于细部存在遮挡位置进行多次多角度设站;室内扫描也遵循同样的原则, 除此之外, 为保证室内外衔接, 在单体建筑门口位置架设衔接站。选择站点位置时, 尽量保证站点均匀分布以保证数据分布的均匀性。2.2 内业数据处理外业扫描的数据需经过导入、单天工程处理、单体工程处理三个阶段, 单天和单体工程需分组进行处理, 采用的软件为 RiSCAN Pro, 数据处理流程如图 2 所示。图 2 内业处理流程图 下载原图主要步骤包括相机的
11、校准、点云数据的“站-站”粗拼接、各站点云噪声去除、整体数据的精拼接、单体建筑正射图制作, 其中噪声的去除、数据精拼接、正射图制作为关键步骤, 任何一项处理不当就会影响成果的质量。2.3 古建筑三维模型构建数据获取的最终目的就是通过构建实体模型来准确地描述被测物体的信息。三维点云模型仅仅只包含了表面采样点的空间坐标信息, 是离散的模型, 在被测对象的表达上有一定的局限, 因此必须通过一定的方式建立相应的三维几何实体模型, 进而实现古建筑的数字化。本文对古建筑建模进行了尝试, 采用的软件为 Geomagic Studio 12, 其生产实体模型的流程如图 3 所示。图 3 三维模型构建流程 下载
12、原图3 案例研究本次项目实例以北京某四合院为研究对象, 采用的仪器为 Riegl VZ-400i (如图 4 所示) , 该仪器扫描速度最高可达 120 万点/秒, 测量精度优于 5mm, 最大测距能力理论值可达 800m, 外接 2000 万像素的尼康 D610 数码相机, 可为后期建筑物正射图的制作提供高清晰的彩色纹理。图 4 三维激光扫描仪 VZ-400i 下载原图3.1 项目概况经过现场踏勘, 待测四合院可分为三个部分, 一进门、前院、后院, 共有单体建筑 20 栋, 其中一进院较为狭窄, 二进院和三进院较为宽阔, 院内均分布有高大树木及部分杂物, 场区建筑分布如图 5 所示。外业数据
13、采集历时 7 个工作日, 扫描总站数为 364 站, 数据量共 600G。扫描数据主要参数为:数据覆盖率 90%以上, 最小点间距小于 6mm, 整体拼接数据误差 1.7mm;数据精细度满足 150 出图要求, 解析度大于 150dpi。图 5 场区建筑分布图 下载原图3.2 数据处理中的关键技术研究3.2.1 去噪噪声是指与建筑物本身无关的点, 以此可分为环境噪声 (人员、车辆、树木等) 、仪器噪声 (反射率噪声、回波噪声等) 4, 数据精拼接以三角网为依据, 因此非固定的噪声 (晃动的树木, 行走的人、车等) 的存在影响数据精拼接的精度;仪器噪声分布于真实物体表面, 它的存在直接影响成果的
14、质量。对于仪器噪声 RiSCAN Pro 软件中有相关的功能, 并且反复试验多次得出反射率的去噪阈值为-20dB (即反射率小于-20dB 的均为噪点) , 回波噪声可以只保留单回波及第一次回波, 而对于环境噪声是不可预知的, 因此此类噪声多数需人工干预。图 6、图 7 分别是仪器噪声去除前后对比效果图。图 6 去噪前 下载原图图 7 去噪后 下载原图除此之外, 虽然点云去噪步骤较为简单, 但是重复性太强, 充分利用软件中的各项工具, 可以提高效率, 并且去噪前, 必须保证已经完成 MTA 转换, 否则去噪后再进行转换, 所有的工作都将无效。3.2.2 精拼接四合院总站数为 364 站, 平均
15、每站数据量为 1.5G, 总体数据量较大, 精拼接成果数据需要具有北京地方坐标系坐标成果, 在精拼接时, 为了提高拼接效率并且避免出现数据分层, 依照测量中“先控制, 后碎部”原则, 第一步, 建立扫描站的控制路线, 在四合院整体范围内选择较为合适的前后通视位置以及各建筑物室内外衔接站, 建立扫描控制路线 (图 8) , 每个院内的主体扫描站利用反射片直接获取北京市坐标, 对于路线中的其他站采用精拼接 (ICP) 5的方式进行拼接;第二步, 以控制导线中的站点为固定站, 对室内室外分别拼接。为了保证项目要求精度 (3mm) , 需在精拼时多次操作, 误差限差由大到小进行设置, 并在完成后进行剖
16、面检查, 查看数据分层情况6。对偏差较大的数据及时进行调整, 图 9 为拼接结果整体拼接误差达到 1mm。除此之外, 粗拼接必须保证较高的精度 (经验值 20mm 以内) 并且在各个坐标轴方向没有明显的坐标旋转角, 以此保证精拼接不出现异常结果。图 8 扫描控制路线 下载原图图 9 拼接结果 下载原图3.2.3 正射图制作各站扫描角度不同, 对于同一物体扫描存在色差, 在正射图制作过程中容易出现颜色分层, 影响整体美观效果。针对正射图制作过程中出现色彩不均、色彩分层的问题, 采用以下方法解决, 针对某一个建筑物立面。将所有相关站分离出来对比照片色彩, 选用效果较好的作为样例, 在图片处理软件 (Photoshop) 中调整其他站点的照片色彩, 将色差降到最低 (图 10) 。图 1 0 调色效果图 下载原图由于需要对部分站点的数据进行隐藏或删除, 考虑到数据的完整性, 及操作的效率, 可以将每站中与当前剖面有关的数据复制出 polydata,
