三维激光雷达在徽派建筑保护与修复中的应用

安徽建筑大学 祝飞野 汪 铮 范佳佳

三维激光雷达是新一代的测量利器，可以快速准确获取空间三维信息，生成数字高程模型和空间三维点云数据，极大地方便了测量场景的三维重建，可以完成传统测量手段无法完成的任务。本文基于SureStar公司旗下“R-Fans”系列的多款微型激光雷达，详细阐述三维激光雷达在徽派建筑保护与修复工作中的应用，对目前从事徽派建筑维护工作的人员有较好的参考价值。

1 可行性分析

三维激光雷达作为新一代的扫描利器，可以通过位置、距离和角度等信息，快速准确的获取空间三维信息，高效率完成测量场景的三维重建，同时激光雷达还可以和相机集成，生成三维空间的点云数据，更加直观准确的发现徽派建筑中需要修复的部位，以及修复部件的尺寸属性。三维激光雷达通过多条扫描线实现对目标的三维轮廓测量，和传统的超声波雷达、毫米波雷达相比，三维激光雷达才能真正算得上有双智慧的“眼睛”。本文采用SureStar公司旗下“R-Fans”系列的多款微型激光雷达进行实验，在不同的分辨率要求下，采用对应的设备，尽可能在保证分辨率的前提下，节能内存；同时R-Fans以其自身体积小、重量轻等多种优势极易集成在无人机上，完成复杂情景状态下的勘测任务。

2 “R-Fans”系列激光雷达的性能参数及优势

三维激光雷达技术是一种新兴的光电检测技术，它利用激光原理获取物体三维点云数据，本文用于实验的雷达，是SureStar公司旗下的“R-Fans”系列激光雷达，“R-Fans”是一款轻便型雷达，它可以很好地集成在无人机上，轻易完成复杂情景的测量任务。再加上其测距长、重量轻、体积小等特点，用于徽派建筑的保护与修复工作有很多优点，具体如下：（1）R-Fans具有水平360°视场，视场宽阔，可以捕捉到全站仪无法捕捉的数据；（2）R-Fans有16线和32线两种型号，可以适应不同的测量需求，以达到节省时间和优化内存的双重要求，大大提高效率；（3）激光雷达不需要像传统方法一样布置图像控制点，可以有效减少野外工作时间，避免安全隐患。

3 实验设计

3.1 调查区域

本实验选定的试验区为黄山市歙县棠樾牌坊群周边约一公里辐射范围，试验区约在东经118°37′，北纬29°87′。这个村庄是典型的徽派建筑风格，传统的青砖黛瓦马头墙随处可见，远看这些连缀在一起的古建筑，仿佛一幅自然生成的水墨画；但是走近细看，这些现存的古建筑残损情况严重，一些木质配件甚至已经腐朽。为了最大程度给后人留下这些珍贵的时代记忆，保护与修复徽派建筑的工作刻不容缓。

3.2 激光雷达实验数据的采集

（1）航路规划

无人机执行数据收集任务前，应该了解调查区域的详细情况，包括周边建筑的高度和密度、高压电力线的分布和大型通信基站等信息。在保证空间航行安全的前提下，根据现场自然条件，设置无人机飞行路线。为了保证实验得到较直观的结果，现场收集的点云密度不小于100pts/m²，大致的航行高度设定为60m，线路重叠率约28%，线路总长度约为3.2km，飞行速度5.5m/s。另外在廊檐和建筑物内部等无人机的扫描盲区，设计车载激光雷达进行数据采集，用于对缺失数据的完善和补充。

（2）设置地面参考基站

本实验使用IMU/GNSS辅助获取三维激光雷达的点云数据。根据以往经验，在平原地区，每个GNSS基准基站至少可以覆盖4.5km的一级基准基站。本实验把试验区的参考基站设在距离已知测量点约2.5km的地方，并且远离测量区域的中心点。测试面积无需过大，约选取0.6m2，就可以满足建立一级基站的精度要求。所设定的参考基站采用静态连续观测模式，需要对数据进行采样的频率为1Hz，数据存储格式为RINEX 3.02或HCN。在基准基站的数据采集过程中，为了保证基站数据的连续性和准确性，本实验的数据采集人员实行了全程把手制度，可以及时有效的发现突发情况，并且及时处理。

（3）现场数据采集

本实验以无人机采集的数据为主，车载激光雷达为辅。无人机具有多角度、全方位和视野范围大等优势，可以采集到本实验所需的大部分数据，例如徽派建筑的大体轮廓和房屋特征等外围细节；车载激光雷达采集的数据作为无人机数据的补充，例如廊檐遮挡住的木质构建和室内隐蔽部分的遗漏信息。

表1 点云坐标精度

表2 效率对比表

无人机初始化完成后，按下启动键，这时无人机将自动进入预先设置的规划航线中，进行规定任务的数据采集。在无人机飞行过程中，操作人员应该密关注无人机动态，严格确保数据的准确性和无人机的飞行安全。在无人机取得数据后，及时检查飞行航线是否覆盖全部调查区域，根据数据的完整性和航线的覆盖率，来确定是否需要补充飞行。

所有的数据收集完成后，再次检查数据的完整性和收集区域的完整性，出现任何问题及时解决，以免耽误实验进程。确保所有信息完整准确后，先对原始信息进行保存，并且做好安全备份，严防丢失和泄露。

3.3 数据处理

本实验将激光雷达集成在无人机和家用汽车上进行数据采集，得到的数据，处理方法是一样的，主要包括点云数据的预处理、点云与影像融合和GNSS参考库数据转换等步骤。

GNSS基准基站观测使用R-Fans专用的双频多通道，使用数据分析软件输出参考基站观测数据并且进行格式转换。此过程主要包括对GNSS接收机天线高度的校正，扫描数据的格式设置和文件的格式转换。

本实验的数据精度，主要依赖于R-Fans的数据捕捉准确性和运行稳定性，本次测试使用R-Fans配套的实验分析软件2.1版本。点云数据预处理是对激光雷达采集到的点云数据进行变换，得到实验所要求的对应的三维坐标信息。再对其中有用的信息进行点云与影像融合。浏览点云数据时，可以用不同的渲染方法来实现。

3.4 实验结果验证

徽派建筑是我们建筑史上的奇迹，也是我国传统文化记忆中的瑰宝，所以徽派建筑的修复工作，要求也十分严格，本实验要求测量精度各个角点作为边界场地，应满足要求点平面的均方误差坐标≤5cm。在本实验中，把传统的GNSS和全站仪收集来的数据和激光雷达采集到的数据进行比对，来验证实验的准确性。总共实地收集了20个检查站的座标并以其作为真值进行检验，将两者得到的数据导入到同一个系统中，对比结果如表1所示，其中有16个点的平面误差小于5cm，4个点的平面误差为大于5cm，平面均值平方误差为±0.037m，完全满足实验的预期要求。

3.5 运行效率分析

为了评估三维激光雷达用于徽派建筑的修复与重建的效果，本实验把传统的方法和本实验采取的方法进行对照，对采集工作中的工作量进行统计，并对工作量和效率进行了对比，比较结果如表2所示。

结论：激光雷达是新一代的测量利器，随着时代发展，其待机长、精度高和稳定性强等优势，已经慢慢凸显。本文主要利用无人机集成的激光雷达进行实验并且得到数据，辅以车载激光雷达进行采集，本实验完整论述了激光雷达用于徽派建筑保护工程的可行性和优越性。在本实验中，三维激光雷达得到的实验结果，其均方误差是0.037，远低于传统的均方误差0.050，相较于传统的方法，本实验整体效率约提升8.4倍，效果明显。