基于扫描点云的建筑物特征剖面快速获取

2018-05-21罗德安邱冬炜廖丽琼

计算机工程与应用 2018年10期

罗德安，邱冬炜，廖丽琼

北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044

1 概述

既有建筑的修缮与结构健康评估往往涉及到关键部位特征数据信息，三维激光扫描技术采用非接触式的测量方式，具有快速、精确、多方位、“所见即所得”的特点，为既有建筑的精确测绘提供了革命性的新途径[1-2]。尽管三维激光扫描技术可以在极短时间内获取完整而精确的反映既有建筑全貌的点云数据，但要从点云中获得修缮设计及结构检测所需要的特征信息（如特征点、线、面、长度、直径、面积等）、特征图形（如建筑立面图、各种剖切投影图等）[3-7]，仍然是一个极为耗时耗力的工作。

二维数字线划图目前仍然是建筑设计和结构检测领域所习用的语言，在扫描点云的基础上，借助于后期绘图软件，可以绘制总平面图、屋顶平面图、立面图、大样图及不同部位、不同方向的剖面图等，这些成果可以使既有建筑现状调查工作和后续的保护规划制定、修缮工程设计、修缮施工、监测等实现无缝对接。目前主要采用的二维线划图绘制方法包括：（1）对于局部构件的绘制，通常直接在点云上量取绘图所需要的长、宽、高数据后，借助绘图软件绘制二维线划图；（2）对于剖面图等截割投影图，一般会根据绘图部位和绘制精度，从点云模型中截取一定厚度的点云“切片”，之后再将点云切片导入AUTOCAD等图形绘制软件作为底图来绘制二维线划图。这种操作方式主要依赖于个人的主观操作，在数据截取上具有一定的随意性，有时候无法反映既有建筑的真实特征剖面；此外，由于需要人在三维数据环境下反复交互操作，工作量也极大。因此，研制基于点云的自动或半自动辅助线划图制作工具很有必要，它一方面可以克服因主观截取数据而产生的数据质量问题，另一方面可以显著提高线划图的制作效率，降低劳动强度，因而对既有建筑现状的成果制作及三维激光扫描技术的深入应用都将具有重要意义。

为改善目前三维激光扫描技术领域线划图成果制作全手工的技术现状，提出了一种快速获取建筑特征剖面的算法，并研发了基于该算法的具有较高自动化水平的剖面图制作软件工具，实现了自适应数据切片、特征性断面数据自动提取、特征线的拟合及辅助标注等功能，该工具在面对海量点云数据处理时，能够显著提高作业效率及提升成果制作质量。

2 相关研究

三维激光扫描作为新兴的自动化测量技术，能够从远距离快速、精确地采集目标表面的完整几何形态，为既有建筑及构筑物的几何参数测量提供了全新的手段，然而如何从采集到的海量点云中高效率、高精度地提取包括断面轮廓在内的几何形态信息，是目前亟待解决的技术问题[8]。

就已有文献来看，针对隧道、公路等线性构筑物的自动化数据处理（断面自动获取）研究较多，而针对房屋类建筑的研究相对较少。肖清华等利用拟合中轴线截取断面，但该方法只限于圆形隧道，具有很大局限性[9]；托雷等提出了一种基于邻域局部曲面拟合的隧道断面截取方法[10]，该方法虽然以原始扫描点为输入源，但仍然需要加载设定的中轴线，并且对于距离较长的隧道，无法保证其断面轮廓的精度；胡琦佳设计了一种根据隧道特征参数自动绘制轮廓线的方法，但该方法必须以断面参数为输入源，不能独立应用于隧道工程[11]。概括来说，所有这些对隧道的断面获取，都需要准确知道截取断面的轴线，这些轴线可以是交互设置、自动拟合或是其他方式予以给定，只要已知断面截取的轴线，断面获取是极为容易的[12-13]。和隧道相比，房屋建筑的断面获取具有更高的复杂度和难度。首先，既有房屋建筑的修缮与健康评估需要各种不同形式投影的平面图（如平面图、立面图、关键位置的剖面图等等），这和隧道的单一剖切断面图样式存在较大差异；其次，对建筑设计和结构体的健康评估，关键结构（如承重结构）所在的剖面图更为重要，一般的剖切位置获得的断面图几乎没有意义，所以即使是基于同一剖切轴线获得的断面，也只有那些能反映关键结构分布及变化的断面才需要保留下来。

尽管三维激光扫描技术已经广泛应用于很多领域，具有极高的数据获取效率，但在数据的后期处理上，特别是自动化数据处理上，还几乎没有太多进步。目前主要的处理软件如 Cyclone、Polyworks、FARO Sense、Trimble RealWorks Survey及Geomatic等软件都提供从点云扫描、数据配准、噪声剔出、数据平滑、网格化、纹理映射及模型合成等一体化功能，个别软件还提供一些特殊的测量功能集，但这些功能更多的是面向数据采集、结构检测及模型重建。对基于点云的线划图自动提取类功能，现有的软件都未提供，但大部分软件都提供交互数据切片功能，所以目前线划图通行的制作方法是将线划图制作涉及的点云数据通过点云数据处理软件导出，转换为CAD所支持的格式，而后导入到CAD软件作为制作线划图的底图，再由绘图人员借助该底图交互完成线划图的绘制。这种制作方式过程复杂，人为干预因素较多，所以制作出的线划图质量不高，其生产效率也较为低下，因此，研发具有一定自动化数据处理能力的线划图制作工具软件是十分必要的。

3 算法框架

3.1 基本思想

数据切片是基于三维点云制作建筑剖面图的基础[14]，通过设定切片厚度、剖切位置及剖切方向可以实现的数据切片。通过建立相邻切片的比较分析模型及根据比对结果实现相关参数调整的自反馈机制，来实现对特征性断面数据的自动化截取，技术路线如图1所示。获得特征断面的切片数据后，即可在相关软件中实现线划图快速制作及其他相关应用。

图1 算法的技术流程

3.2 算法流程

（1）无关数据及粗差的剔除。扫描原始点云包含大量和关注主题（如建筑物）无关的数据，这些数据后续处理前需要予以剔除；由于各种因素（如遮挡、反射特性差异）的影响，粗差在扫描点云中广泛存在，这些粗差也将对后续的数据处理造成显著影响，所以也需要事先将其剔除，这里将用到一些手工及半自动的数据处理方法。

（2）截取轴线设置。由于建筑物形态的多样性，所以其基本轴线也各不相同，这与隧道断面提取中轴线单一的特点有较大差异，建筑物断面截取轴线要实现自动提取与设置存在较大难度，所以本文算法断面截取轴线仍然需要交互设置。由于既有建筑在设计与建造时本身就拥有很多具有重要参考意义的轴线，所以既有建筑的断面截取轴线不难找到。

（3）截取厚度设置。轴线确定后，还需设置断面厚度，其初始值可以根据关键截面的大致厚度设置，也可以任意设置，后续算法可以实现自动调整。断面截取厚度同时也是断面截取移动的步长。

（4）相邻切片的相似度比较。比较的目的在发现关键特征截面，这里采用基于投影影像的比较方法来实现差异发现。首先将切片点云数据沿剖切轴线投影到某平面上，得到一张二维二值化图像；接下来将相邻的两张二值图像进行简单的叠加，像素相同的位置置1（白色），不同的地方置0（黑色）；接下来计算变化量（黑色像素）占总像素的百分比，它将是下一步关键切面选取的重要依据。

（5）关键特征截面筛选。根据相邻截面比较获取的差异率可以绘制出基于某断面截取轴线的整个断面变化图，通过数字比较或图形可以很容易地发现关键特征截面，也即是差异率突变位置所在的截面。

（6）参数调整与断面提炼。由于切片厚度不可能刚好是关键结构截面的厚度，截取位置不可能刚好涵盖关键截面，所以关键截面可能包含在一个点云切片中，也可能是2个或多个切片中，即便是一个也还可能存在由于厚度过大导致无关点云数据存在。所以，在筛选出关键结构涉及的切片数据（1个或多个相邻切片）后，合并成一个新的点云数据集，调整切片截取步长继续按照上述方法进一步提炼，直到截取精度满足要求为止，最后即可得到所需的关键结构断面的切片数据。这里的截取精度是指相邻2次截取步长获得的同一关键结构切片数据的相似度，当相似度大于给定值（后续实例中取值为95%）就终止断面提炼，以最后一个步长设置（也是最小的步长）获取的关键结构切片数据作为最终的剖切数据。

可以发现，本算法在给定截取轴线后，几乎可以全自动地获取关键结构断面的切片数据，为后续的特征断面制作和结构参数的获取创造了条件。

4 算法实现及实验

天津港“8.12”特别重大火灾爆炸事故，发生在位于天津滨海新区塘沽开发区的天津东疆保税港区瑞海国际物流有限公司所属危险品仓库。据中国地震台网发布仪器记录到的数据显示，爆炸近震震级ML约2.9级，相当于21 t TNT爆炸威力[15]。爆炸对周围建筑物的安全使用造成了严重影响，根据国家相关安排，需对周围一定范围内的建构筑物进行全面健康评估及安全排查。由于涉及面广，工期较短，外业数据获取主要采用了三维激光扫描技术。按照合作单位建筑结构检测中心的要求，需要在极短的时间内为其提供所有建构筑物的关键结构参数、关键结构特征断面等信息，供其进行进一步的结构安全评估。鉴于上述原因，基于上述算法，研发了相关软件工具，在工期内很好地完成了相应工作。

下面以天津泰达时尚健身休闲广场5号馆的扫描数据为例，详细说明上述算法的实现过程：

（1）数据准备与预处理。5号馆为钢构建筑，承重结构为钢构梁，扫描点云整体顶视图如图2所示，图中红线为设计基线，可以看到所有钢架梁都位于设计基线的法线上。

图2 扫描点云顶视图

如前所述，关注的重点是钢构的形变情况，所以其他结构属于无关信息，为了减小数据冗余及干扰，可以在相关的点云数据处理软件（如Geomagic、Cyclone）中先行将无关数据剔除，如图3红线以下部分，该操作极易实现。

图3 冗余与无关数据的剔除

（2）轴线设置及相关参数据设置。既有建筑的设计一般都会有自己的一些基准线或面，而这些基准线往往可以作为修缮设计及特征数据采集的参考线。这里选择的是如图2红线所示的参考线作为剖切轴线，重点关注的钢架梁剖面正好位于其法线上。其他2个参数（切片厚度及步长）实际上是1个，其初始值可以是任意大于0的数值，它只会影响迭代的次数，并不影响特征断面获取的质量与精度。理论上看，当初始值与钢架梁的轴向宽度相近时，迭代次数应该越少。

（3）相邻切片的相似度比较。点云切片数据很容易获取，获得切片数据后将其投影成二值化图像，如图4、图5分别是2个相邻点云切片的投影图像。获得切片的二值化图像后，再进行求差获取差值图像（如图6），同时计算其差异比率。对于剖切轴线上房屋存在高差变化的情形，一般是不同设计结构体对接位置，显然其差异率存在突变，其值会远大于无高差变化情形，可以从差异率变化图轻易检测出来，然后予以剔除。