基于激光雷达的建筑三维数字化技术应用研究

王瑶瑶王京卫赵莉莉

(山东建筑大学测绘地理信息学院,山东济南250101)

0 引言

建筑作为人类文化的宝贵遗产,不仅记录了一个国家和民族特定历史时期政治、经济、文化的发展历程,而且是研究历史文化的实物例证[1]。而建筑的保护是指对各种建筑文化遗产现场测量、记录与恢复。传统的建筑保护主要是以文字、图表、影像等形式存储建筑的三维信息。其不仅数据量巨大,而且不能获取建筑准确的三维空间信息和结构关系,对建筑的科学研究、重建、仿建和修复没有很大价值[2]。传统建筑测量方式不仅需要直接接触建筑,而且效率低、精度不高。因而,传统测量技术在建筑数字三维重建应用领域存在一定局限性。激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging)技术作为建筑保护的一种新技术手段,具有非实体接触、扫描速度快、获取数据全面、数据精确的特点[3]。田继承等利用LiDAR点云数据完成了对云冈石窟的三维重建[4],贺一波等将LiDAR技术应用于古城墙,完成了瓮城古城墙的建模及修复工作[5]。LiDAR技术能够对建筑的几何和纹理信息进行扫描,并以数字的形式存储或构建成三维模型,可有效防止文化遗产数字化过程中不同程度的损坏,这对建筑的保护、修复以及研究具有重要意义[6-7]。

随着地理信息系统(GIS)技术迅速发展,三维地理信息系统(3DGIS)成为GIS的一个重要发展趋势[8]。相比传统建筑保护方式,3DGIS更加逼真、更贴近人们的视觉习惯,能够表达更多的空间关系,并且具有良好的可扩展性。利用3DGIS技术可以进行空间数据的存储、表现、查看、管理、量算和分析。3DGIS技术的发展对建筑的数字化保护具有重大价值。兰玉芳等[9]利用传统三维建模技术结合ArcGIS软件创建了校园3DGIS系统。在建筑数字化保护领域,将LiDAR技术和3DGIS技术结合应用,可以弥补现有建筑存档和保护形式中存在的不足,实现建筑数字化的永久保存。

文章以山东建筑大学校内地图地契展馆——凤凰公馆为例,研究了LiDAR数据结合SketchUp软件快速三维建模技术方法；以模型信息的三维管理与分析为目的,同时考虑点云数据在SketchUp软件中的转换和三维模型数据的属性信息,实现了在ArcGIS中三维场景的构建、空间信息的三维查询与分析等功能。

1 基于激光雷达的建筑三维模型建立

1.1 激光雷达的工作原理

激光测距是LiDAR工作的主要原理,目前主要有3种方法:脉冲测距法、相位测距法和激光三角法。在测绘领域LiDAR主要采用脉冲测距法。脉冲测距法是一种高速激光测时测距技术,LiDAR设备发射出单点的激光,同时记录激光的回波信号。通过计算激光的飞行时间,来计算目标点与遥感设备之间的距离[10]。在LiDAR设备中坐标轴通常定义为:坐标原点O位于激光束发射处,z轴位于仪器的竖向扫描面内,向上为正；x轴位于仪器的横向扫描面内并与z轴垂直；y轴位于仪器的横向扫描面内与x轴垂直,同时y轴正向指向物体,且与x、z轴一起构成右手坐标系,如图1所示。

图1 LiDAR测量原理示意图

假设α为激光束的竖直方向角,β为激光束的竖直方向角,S为仪器到被测量点的斜距。LiDAR所测量点P(x,y,z)的坐标计算公式由式(1)表示为

LiDAR设备获取被测物体表面每一个采样点的空间坐标后,得到的是一个点的集合,称为“点云”,其每一个点的初始观测值是一个距离值和2个角度值。LiDAR设备最终将每个点的原始观测值转换为被测物体的空间三维坐标(x,y,z),并将这些数据存储在特定格式的文件中。

1.2 点云数据获取及预处理

凤凰公馆原位于西凤凰街40号院,其尺寸为16.4 m×13.7 m×9.1 m(长×宽×高),是单体比较宏大的一座济南近代建筑,至今已有100余年的历史,其建筑形态对研究济南近代史有重要的作用。日伪期间,这座建筑被日军侵占,并将其设立为日军的特务机构——凤凰公馆。这栋建筑见证了当年日本侵略者的滔天罪行,具有重要的历史价值。

2009年,随着旧城改造的开展,凤凰公馆按原有规模迁至山东建筑大学新校区进行异地重建,主要用于展示山东建筑大学收藏的地图地契等,成为山东最早的建筑文化博物馆,如图2所示。

图2 凤凰公馆图

1.2.1 点云数据获取

野外获取点云是后续建模与应用的基础,要求获取的点云符合精度要求。扫描作业开始前的准备工作,一般包括仪器准备、人员组织、现场踏勘、后勤保障、测量控制点布设等。采用球形标靶控制点方式拼接的情况下,扫描步骤的基本步骤主要为仪器安置、摆放球形标靶、仪器参数设置、开始扫描、换站扫描、数据输出、结束扫描工作[11]。根据凤凰公馆的地理位置及几何形状,s001-s005分别为扫描凤凰公馆布设的5个站点,如图3所示,实验表明,扫描站点的布设符合后期拼接重叠度的要求。

1.2.2 数据预处理

点云数据在获取的过程中受到环境和本身系统的影响,点云数据不能被直接使用,需要对其进行预处理。点云数据的预处理主要包括点云去燥、点云拼接和点云裁剪[12-13]。实验进行点云数据的预处理主要通过FARO SCENE软件实现。其为一款专为FARO(Laser Scanner Focus)3D和FARO(Scanner Freestyle)3D而设计的三维存档软件,将原始扫描点云数据导入FARO SCENE中,可以进行数据预处理。

图3 凤凰公馆扫描站点示意图

标靶拼接是点云拼接最常用的方法,在扫描站点设置时在扫描两站的公共区域至少放置＞3个的标靶球,球体目标应在特定的扫描距离内[14]。以1/4扫描分辨率为例,标靶球到扫描仪的距离＜18 m,标靶球之间的距离＜60 m。在FARO SCENE软件中,将五站数据导入,对其进行基于目标的拼接,见表1,点云拼接平均距离均＜4 mm,完全能够满足拼接精度要求[15]。

表1 点云拼接精度表

由于LiDAR技术扫描的特点,会产生很多不必要的数据,因此需要对拼接完成的数据需要进行裁剪,运用自动裁切框框选所需数据,删掉裁剪框外点云数据,最后得到较为精简的点云数据,导出点云为接下来三维重建做准备。裁剪后点云数据如图4所示。

图4 裁剪后点云数据图

1.3 三维几何建模

传统建筑三维建模通常采用轮廓线提取的方法,主要借助于AutoCAD软件,也可以编程[16]。利用SketchUp软件直接结合点云数据不仅降低了工作流程的复杂度,而且更加直观具体,大大提高了工作效率。

1.3.1 点云数据格式转换

从FARO SCENCE软件中导出来的点云数据格式为.lsproj格式,SketchUp软件本身并不能识别此格式点云数据,无法直接导入使用,因而在建模之前需要转换数据格式。在SketchUp软件中安装能识别点云数据的Undet for SketchUp插件。利用Undetfor SketchUp插件将.lsproj格式数据转换成Sketch-Up软件能直接使用的.ipcp文件。

1.3.2 三维几何建模

由于凤凰公馆结构比较规则,具有对称性。利用裁剪框对点云数据进行切片,在平面上根据点云提取凤凰公馆墙身边界线,通过拉伸命令获得凤凰公馆轮廓。根据生成的墙体轮廓和点云精细调节细部结构。

凤凰公馆南北两侧各有3个窗户,为了提高建模效率,对其中和一侧进行精细建模,并将其创建成群组,利用凤凰公馆的几何对称性,将建好的窗子镜像到另一侧墙体。根据点云调整镜像后群组的位置,用同样的方法对西侧窗户和东侧门进行建模。初步拉伸模型如图5所示。

图5 初步拉伸模型图

由于在获取点云过程中,东南侧被树木遮挡严重,无法获取完整点云数据,因此进行三维建模时,同样利用凤凰公馆的几何对称性弥补点云缺失部分。鉴于屋顶部分结构复杂,获取完整点云数据的难度较大,因此借助全景效果图和现场采集照片对其进行建模。综合点云数据和现场照片对屋顶进行轮廓线提取,首先绘制瓦片一侧,按照路径跟随命令生成瓦片,再利用屋顶轮廓将瓦片布满整个屋顶。屋顶分为四面,利用屋顶轮廓线对其进行裁剪,得到完整的屋顶结构,如图6所示。根据点云数据将屋顶部分和建筑主体部分组合在一起,如图7所示。

图6 屋顶模型图

1.3.3 纹理映射

纹理映射是还原真实三维模型的重要步骤。基于点云数据创建的三维模型,已经具有了良好的几何精确性,但是为了满足三维模型可视化的需求,还原三维景观的表面细节,还需要采用纹理映射技术对三维模型添加真实的色彩。纹理映射就是模拟真实景物表面纹理细节,用图像来替代物体表面纹理细节,提高仿真度和系统显示速度[17]。

利用Photoshop对前期采集的纹理进行拉伸变形,使其符合纹理贴图规范,处理的重点在于使纹理尺寸与真实尺寸一致。为了使颜色更加统一协调,使用颜色编辑器提取屏幕颜色,并将其运用到相同颜色的纹理图像中。实验纹理采用真实纹理,其映射后的三维模型如图8所示,其映射细节部分如图9所示。为了提高处理速度,方便后期数据管理以及三维浏览,先将三维模型进行分组管理,分为墙、屋顶、门窗等部分。

图7 组合后三维模型图

图8 纹理映射后的三维模型图

图9 纹理细节部分图

2 基于激光雷达的建筑三维数字化技术应用

利用SketchUp建立的三维模型可以达到三维观赏浏览的目的,但是对于建筑的数字保存和三维修复,只建立三维模型无法获得开展建筑保护所需要的属性信息,不足以支撑建筑的数字化保存。因此,赋予三维模型属性信息是建筑保护的核心部分。

2.1 数据转换

利用ArcGIS特有的数据管理、可视化、空间分析等功能,结合SketchUp建立的三维模型数据实现对三维模型的属性管理、空间分析以及可视化。SketchUp建模得到的数据为skp格式,ArcGIS不能直接对其进行编辑,需要将 skp格式转换成Multipatch格式,并将其存储在Geodatabase中,通过ArcSence对其进行编辑查看。ArcSence是1个用于展示三维透视场景的ArcGIS平台,三维模型显示效果图如图10所示。

图10 在ArcSence中的三维模型显示效果图

2.2 建立建筑的信息数据库

建筑的信息数据库通常包括空间数据库和属性数据库两部分。通过建立建筑信息数据库,对建筑信息进行采集、存储和管理,为建筑的修复和重建等提供原始数据,还能够作为分析展示和建筑评价体系的重要依据[18]。

2.2.1 空间数据库

空间数据库信息主要通过以LiDAR技术扫描获得的点云数据和仪器自身携带相机获取的数字图像为基础数据获得,包括平面图、立面图、三维扫描图以及历史修建图纸等。

2.2.2 属性数据库

属性数据库信息主要通过以建筑自身信息为基础获取,如建筑结构、高度、面积、位置等属性信息,另外也包括与建筑相关的详细历史情况和建筑文化信息等[18]。建筑的属性数据表结构见表2。

2.3 图形与属性的链接及其查询

空间信息查询是GIS主要特征之一。三维属性查询由属性查询工具实现。在激活查询工具后,操作员通过选择地面对象获取要素的相关属性。选择对象的属性信息显示在属性表中。通过超链接的方式不仅可以赋予构建要素属性信息,使属性信息与建筑构件相互关联,还可以对构件要素或属性进行双向查询。利用 ArcGIS识别功能得到的牌匾查询结果如图11所示,点击链接部分可以得到查询对象的信息、图片等。

表2 建筑的部分属性表结构表

ArcGIS的3D分析模块不仅继承了ArcGIS桌面的二维分析功能,还可以进行3D场景的动画模拟。利用空间量测功能在三维显示窗口内可以量测平面之间的距离、建筑物的高度和地面物体的面积。使用测量工具在三维显示窗口中绘制直线并获得线上每个节点的坐标信息。在测量状态下,通过绘制线段,由空间坐标计算整个线段表示的距离。

图11 牌匾查询结果图

3 结语

相比传统建筑测绘技术,LiDAR遥感在建筑三维空间数据获取方面具有获取数据速度快、精度高、非接触等优势。利用LiDAR遥感结合3DGIS,可建立建筑的三维信息模型,不仅能实现对建筑三维空间信息形象生动的表现,而且还能对建筑空间信息和属性信息进行管理、查询与分析,为建筑文物保护、修缮、异地复原等工作提供详细的工程数据。LiDAR遥感和3DGIS的快速发展应用,为众多建筑文化遗产三维数字化提供了有效的手段,并将在珍贵古建筑文物价值的研究、传播和利用领域发挥重要作用。