基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法_祖为国.pdf

第 卷第期黑龙江工程学院学报 年月 ：基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法祖为国，谭金石，刘丽（广东工贸职业技术学院 测绘遥感信息学院，广州 ）摘要：针对狭窄街区建筑立面测绘中存在街区狭窄视场、结构复杂和传统测绘方法实施困难、效率低等问题，提出一种基于激光视觉跟踪扫描的建筑立面快速测绘方法。首先阐述了激光扫描技术和激光视觉跟踪技术的基本原理，然后结合工程案例，从技术路线、外业点云数据、内业点云数据等方面进行分析，最后从精度检验、效率对比及优势个方面进行比较。结果表明，激光视觉跟踪扫描技术具有外业采集和处理效率高、精度高、点云数据丰富等特点，在建筑立面测绘方面具有很大优势，为立面测绘提供了一种新思路、新方法。关键词：激光扫描；立面测绘；视觉跟踪；点云拼接；点云数据中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：，：；收稿日期：基金项目：广东省普通高校重点科研平台项目（）；双高专业群建设一般委托专项（）第一作者简介：祖为国（），男，高级工程师，研究方向：无人机测绘；三维 研发通信作者简介：谭金石（），男，高级工程师，研究方向：无人机航测遥感；激光雷达历史街区建筑是不可再生的宝贵文化资源和历史传承的重要载体。爱护和弘扬传统优秀建筑文化具有重要的意义。然而，当前历史街区存在不少问题，如外立面老旧、风格不统一；商业广告位和空调机位放置杂乱；沿街电线杆密集且杂乱无章等。因此，迫切需要对历史街区进行更新改造，其中，前期的一项重要工作就是立面测绘。传统建筑立面测绘方法主要有：）全站仪测量法，文献 提出了利用免棱镜全站仪测量历史建筑的坐标和边长；）三维激光扫描法，文献 提出了利用三维激光扫描获取街区高精度点云数据实现立面测量；）无人机倾斜摄影测量法，文献提出运用无人机倾斜摄影建立街区实景三维模型完成立面测量；）文献 提出利用地面三维激光扫描和倾斜摄影相结合的历史街区古建筑保护测绘。以上方法均有一定的适用场合，而对于历史街区狭窄街巷（如骑楼），环境复杂，立面测绘的难度很大。如果采用全站仪法外业测量，工作量极大、效率极低；无人机倾斜摄影方法不能获取街区底层立面信息；地面三维激光扫描法具有非接触测量，点云密集、高精度，受到业界广泛关注，但是存在点云配准工作量大，测站越多，耗时越多，误差累计也越多。针对狭窄街区建筑物立面测绘存在的问题，文中提出基于激光视觉跟踪扫描技术的建筑物立面快速测绘方法。激光视觉跟踪扫描技术原理 三维激光扫描基本原理三维激光扫描技术也称为“实景复制技术”，是测绘领域继 技术之后的又一次技术革命。因其改变传统单点测量方式，以面扫描方式快速获取物体表面的点云数据，速度可达每秒百万点，同时记录物体表面空间几何形状、反射信息和纹理信息等，具有高效率、高精度、高密度、高分辨率等特点。其测量原理为通过激光发射点与目标之间的距离再结合激光发射器的位置和姿态信息进行联合解算，得到目标区域的三维点云（，）。在扫描测量时，往往以仪器本身为中心原点，仪器天顶方向为轴，反射棱镜的水平扫描平面内朝向仪器外部为轴，通过右手定则确定轴，如图所示。图三维激光扫描仪坐标系通过光速和激光传播时间计算得到仪器坐标系原点到测量对象的距离。而激光经由扫描控制单元控制反射棱镜时，水平方向的旋转对应图示的水平角度，垂直方向的旋转对应图示的天顶角度，由此得到扫描对象坐标，其计算式为 ，.（）激光视觉跟踪扫描技术传统三维激光扫描技术外业需要逐个测站架设仪器，对中整平，内业利用专业软件进行点云配准、去噪等，整个流程工作量大、耗时长、效率低。近几年，三维激光扫描领域出现了一项新技术，即视觉追踪技术。视觉追踪的三维激光扫描仪经过内置视觉追踪相机和惯性测量 实时计算两个连续站点间的相对空间关系。根据三维点云的特征点匹配，寻找到多个（个以上）同名特征点，解算两测站数据的空间坐标转换参数，将后续移动站点云数据拼接到基准站点云，实现点云全自动精准拼接，其算法流程如图所示。图激光视觉追踪扫描算法流程激光视觉追踪扫描技术采用全波形扫描和图形图像技术相结合，高速完成海量点云扫描和高清影像的拍摄，每个测站扫描和拍照的时间缩短到 ；基于内置 的倾斜补偿，扫描之前无需整平，架稳即可，操作简单，扫描方便。同时，通过激光扫描仪位置的跟踪定位技术能够在采集过程中全自动实时拼接点云，无需人工布设标靶和公共点，现场实时查看点云预拼接和精度。工程概况及技术方法 工程概况文中工程位于广东省陆丰市一个典型的老城区骑楼大街，全长约 ，街道平均宽度。目前，街区建筑外立面现状房屋老旧、街道无序，地面不整洁，路面、人行道破损，商业广告位放置随意、杂乱。根据现场情况分析，历史街区街道狭窄，行人和车辆较多，建筑结构复杂，使用常规测量方法难以实施。技术路线基于狭窄街区建筑的分布情况，采用激光视觉追踪扫描技术对街区建筑立面进行扫描，并绘制立面图，技术路线如图所示。外业激光点云采集 控制点布测为了控制街区扫描点云的精度，减少误差积第期祖为国，等：基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法图立面图测绘技术路线累，需要沿测区布设一定数量的地面控制点。利用地面控制点可以将点云从扫描仪坐标系转换到目标测图坐标系或国家大地坐标系，便于后续与其他数据进行整合。控制并均匀分布测区，运用 和全站仪相结合进行测量。由于街区环境复杂，建筑物较多，车辆行人众多，优先采用 采集测量地面控制点。对于遮挡信号区域，采用全站仪导线测量方法测量地面控制点。本工程为带状街道，控制点覆盖整条街道，因而采用“之”字形布控方案。激光扫描根据后续点云拼接的方式，点云数据采集可以分为基于地物特征点、基于标靶点及全站仪模式等作业方法。其中，基于地物特征点的作业方式在大型工程项目中用得较多；基于标靶的作业方式主要用于小型目标的扫描；全站仪模式主要用于大范围空间的扫描，外业工作量大，但可以减少内业拼接。文中采用地物特征点的作业方式，在激光视觉跟踪扫描过程中自动搜索地物特征点并实时完成拼接。在架设测站时，需要考虑以下原则：）以最少的测站数覆盖整个测区，所有测站的扫描点云能覆盖所有目标建筑物的立面；）每个测站扫描过程中要确保架设稳定，视野开阔，尽量减少遮挡；）扫描光线与目标立面法线夹角尽量小，保证不小于 ；）扫描完成一个测站后，必须现场检查拼接的质量和完整性，如有遗漏，现场补测；）相邻测站至少需要保证 的重叠，且重叠区域有明显的地物特征点。文中工程使用 激光扫描仪外业扫描，共架设 个测站，数据量约 ，耗时约 。由于外业需要扫描点云坐标系的相对坐标，因此，沿街利用 测设了 个地面控制点用于坐标配准。将扫描拼接好的点云数据导入 软件，数据效果如图所示。图街区扫描彩色点云数据 内业点云处理 点云坐标转换激光扫描过程中每站扫描数据的坐标系彼此独立。实时拼接会默认以第一个测站为中心，后续测站数据自动配准到基准站数据中，实现了测站间点云数据的空间坐标系统一，也称为点云数据融合。为了使拼接的点云数据与工程坐标系一致，控制点云数据拼接的整体精度，运用测量的地面控制点对点云进行纠正，采用的转换模型为应用最广泛的七参数转换法。利用地面控制点进行点云配准，可以减少测站点云拼接过程中的误差积累，特别是在带状区域效果更加明显。黑龙江工程学院学报第 卷 点云去噪街区建筑所处闹市街道，由于行人、车辆以及周围的植被、杂乱的电线、广告牌及建筑附属等遮挡因素，导致扫描的点云数据中必然夹杂一些无关的点云，即噪声。点云噪声不仅会影响数据处理的效率，还会干扰立面测图，因此，需要去除这些点云噪声，该过程也称为点云去噪。本工程主要是利用点云数据处理软件进行人机交互，通过切面、框选等进行去噪，同时结合点云处理软件（）中去噪功能，如非连接项、体外孤点等，使街区点云去噪取得一定的效果。点云精简激光扫描时，每秒几十万个点，扫描物越大越精细，激光点云数据越庞大，其中，含有大量的冗余信息，不利于后续点云数据导入 ，因此，需要实施点云精简。点云精简的原则是既要保持扫描对象的特征，保证精度，又要减少数据量。点云精简的方法较多，如等距采样、随机采样、曲率采样等。点云分割街区建筑物沿街分布，带状区域较长且存在弯曲，在立面图绘制之前需要进行分割。点云分割包括自动分割和手动分割两种方式，文中工程使用点云数据处理软件（）进行手动分割。在分割过程中，根据相邻建筑物的整体性和弯曲程度，使用软件中的多边形裁剪工具将每块建筑（单栋或多栋建筑）裁剪保存为 文件。立面图绘制建筑立面图主要包含建筑物立面的外貌、外部结构、建筑垂直方向的尺寸及外部装饰等。以分割后的建筑点云为原始数据，借助 进行立面图绘制，立面图的精度主要取决于点云精度，采用绘制。目前立面图的绘制方法包括两种：一种是基于三维模型进行立面绘制，另一种是将立面投影生成平面后绘制。第一种在倾斜三维模型中较为常用。文中采用后一种方法，以 为绘制软件，以分割后的建筑点云为单元，将 格式点云转成 格式，定义 坐标轴，在相应视图上绘制立面图。在绘制立面图时，需要绘制建筑立面的边界线、拐点、门窗、阳台以及附属设施等特征线，空调、广告牌、不同材质墙面等面状区域。另外，还需要添加适应的尺寸、材质等注记和图例，最终形成立面图。文中工程典型的建筑为独栋低层建模，如图所示。图建筑点云及立面精度、效率及优势分析 精度检验为了检验绘制的立面图精度，利用传统测量方式（全站仪和激光测距仪），随机抽样立面图中的特征边长，与外业测量成果进行对照分析，以统计立面图成果的精度。本次检验抽样的样本数为 个，最大值为 ，最小值为 ，平均值为 ，中误差为 ，具体的分布情况如图所示，满 足 立 面 图 比 例 尺 的 成 果 精 度要求。效率对比对于狭窄街区建筑立面测绘，无人机倾斜摄影方法实施难度大，危险性高，不在考虑范围内。常见方法：）传统全站仪测绘方法；）传统地面三维激光扫描法（必须对中、整平及人工点云拼接配准）；）文中基于视觉跟踪三维激光扫描方法。以组日（人一日为组日）为效率统计单元，估算测量两侧建筑立第期祖为国，等：基于激光视觉跟踪扫描技术的街区建筑立面测绘方法图边长差值误差分布面所需要组日，具体组日信息如表所示。表不同测绘方法效率对比组日对比内容传统全站仪法传统地面三维激光扫描法激光视觉跟踪扫描法外业时间 内业时间 总计 比较种不同的测绘方法，文中提出的方法效率约为其他两种方法的倍。该方法充分利用三维激光扫描技术高精度、高密集点云、主动扫描等特性，保证测量成果的精度可靠性。结合视觉跟踪技术，为整个测绘过程节省了时间，减轻了工作量，大大提升外业数据采集和拼接效率。优势分析相对于传统全站仪法和传统地面架站三维激光扫描法，激光视觉跟踪扫描技术具有一定的优势，具体表现为：）采集数据便捷性高。传统全站仪法需要架设多个测站，测量测站点和定向点坐标，测量准备工作占据时间长，测量时需要人测量人配合画草图。完成后内业根据测量成果再成图，内外业工作量大、效率低，遗漏的现象不可避免。传统地面架站式三维激光扫描需要对仪器进行整平，在测站较多的情况下耗时长。采集的数据不能现场实时检查，需要内业逐站配准后才能检查，较多的测站使配准的过程耗时久，工作量非常大。文中激光视觉跟踪扫描法在外业扫描过程中只需要放稳，不需要整平，即可完成一个测站扫描，扫描过程中全自动拼接，实时检查，内业不需要再拼接，大大减少内业工作量，因此，便捷性非常高。）采集数据完整性好。全站仪法需要对建筑立面的特征点逐个照准、测量，在狭窄街区由于视域范围限制，瞄准困难，再加上遮挡困素，采集数据的完整性差，或者需要多次转站才能测量。地面架站激光扫描可以大广角扫描，但是遮挡区域需要增加测站，过程耗时且完整性稍差。文中激光视觉跟踪扫描法架站灵活，扫描速度快，现场检查数据，及时补扫，完整性高。）自动化程度高。传统全站仪法单点测量，要先照准，再测量，还需要人员记录、画草图等。传统地面架站激光扫描仪外业扫描后，需要人工逐站配准拼接。文中激光视觉跟踪扫描法全自动扫描，实时配准拼接，自动化程度最高。结束语传统建筑立面测绘方法存在局限性，不能满足狭窄街区建筑更新改造立面测绘需求。基于此，提出了利用基于