三维激光扫描及BIM技术在古建筑保护中的应用★

2023-08-17郑国强刘耀辉

山西建筑 2023年17期

郑国强，方正，刘耀辉

(山东建筑大学,山东济南 250101)

0 引言

中国古建筑是中国传统文化最瑰丽的珍宝,具有浓厚的文化意义和重要的历史地位,但大部分古建筑由于各种原因遭到不同程度的破坏,因此对古建筑的保护变得十分重要[1],而传统的测绘手段极易造成二次伤害,其复原效果差且局限性较大;三维激光扫描技术则是近年来推出的一款新型测绘技术,因其适用性强、效率高、非接触性、激光高穿透性等优点而倍受青睐,但其顶部点云质量较差;倾斜摄影技术是利用无人机携带五镜头传感器进行航空摄影测量作业,在地面布设控制点,通过航测参数的选取实现成果高精度,并快速生成被测区域地面的完整实景三维信息,但其底部模型易受树木等地物因素影响;本文以山东建筑大学移建的中国电影院牌楼为例(如图1所示),原位于济南市经四路1号,为保存济南城市记忆和历史建筑的符号,2009年加固研究所将中国电影院主入口处完整保留并移至山东建筑大学校园内进行了重建,再现了古代建筑风格,对研究和保护古建筑具有重要意义。

1 技术原理及总体技术路线

三维激光扫描仪是采用三角激光测距原理,通过光源孔发出的激光光束通过不同角度的平面镜反射而成的点阵数据,利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据的方法具有速度快[2]、精度高、操作性强等优点,真实有效的再现三维可视化模型,被广泛应用于古文物数字保护、工民建基础建设、农业地形测量、数字城市地形可视化等。

无人机倾斜摄影(又称三维建模技术)的原理是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器同时从多角度采集地面影像,配合控制点或影像POS信息,从而快速获取更为详细的地面物体的相关信息[3]。

BIM技术:BIM是“Building Information Modeling”的缩写,中文译为“建筑信息模型”。该技术通过数字化信息化手段在计算机中建立出一个虚拟建筑,该虚拟建筑会提供包含逻辑关系的建筑信息库[4]。此信息不仅仅集成了建筑设施的参数化信息,还包含大量的非几何信息,涵盖了建筑物从策划、设计施工到运维及后期维护的全生命周期,如材料的功能信息、构件的物理信息等等。其本质就是一个包含建筑所有信息构建的共享数据库,对建筑信息模型和多样化应用有特殊意义,此外BIM技术能够结合现有的点云数据进行逆向建模构造虚拟三维。

总体技术路线如图2所示。

2 研究实施过程

2.1 无人机倾斜摄影

采用大疆精灵4 pro rtk无人机搭载五镜头倾斜相机对测区进行航拍,云台角度控制精度为±0.02°,飞行作业步骤如下:

1)将无人机按规定步骤组装,并开机。2)连接网络,可以通过插入手机卡或连接WIFI方式连接网络。3)设置飞控参数,如返航点设置、返航高度、新手模式等。4)规划无人机飞行航线,航线规划包括无人机飞行的方向、飞行的范围、飞行的高度、飞行的速度、设置航线的航向重叠度和旁向重叠度等等要素。5)开始无人机作业,作业时需要对无人机运行状态进行实时关注。

作业共拍摄1 380张相片。

2.2 地面三维激光扫描

采用S350faro扫描仪进行采集数据作业,仪器具有易携、可操作性强、采样快、精度高等优点。三维激光扫描仪扫描物体时应遵守的两个原则为高精度和高效率[5],在扫描建筑物前应布置测站,本例中牌楼东南西三面靠近树木,扫描空间狭小且周围行人较多,因此仅在东西南北四个角落进行布站,具体内容如下:

1)现场踏勘。规划架站路线以及靶球放置位置。2)放置仪器。先将三脚架放平,然后将仪器安全取出固定在三脚架上并开机。3)开机后建立工程文件,确定扫描数据存储位置,调节参数如分辨率、质量、彩色、环境等,然后调节倾角仪。4)将靶球放置在选定的位置且与扫描中心距离不超过20 m。5)按照规划的架站路线开始顺序扫描,期间注意仪器稳定。

2.3 数据处理

2.3.1 扫描仪数据处理

外业采集作业结束后,取出仪器内的储存卡将数据完整导入至笔记本电脑中,检查数据和站点是否有遗漏和缺失,并且要相互对应。本文使用FARO SCENE软件进行数据处理和点云拼接配准等工作。

点云数据的预处理:点云的预处理包括拼接配准、去噪、上色等,首先对原始数据进行存盘备份,打开Scene将扫描数据拖到软件里面,另存数据到指定文件夹(储存路径和文件命名不出现中文)。

数据的拼接:选定一个参考站,作为拼接的基准;用工具栏中的标记注册球体命令给本站数据中的参考球一一命名。命名原则为一个位置的参考球对应一个标记名,不能有重复标记的情况出现。在workspace中点当前站前面的“+”号单击打开,然后双击命名好的参考球,在弹出的对话框中,将常规里的选项全部选为第二项,以后每站都进行相应操作;打开相邻的站,将站内的球一一命名,和上一站位置相同的同一个参考球命名要一致,依次加载每个扫描站,命名每个扫描站内的参考球使不同站内的相同位置的同一个参考球命名唯一,且一一对应;参考球命名完成后,在scan上右键选择,在弹出的菜单里,选择布置参考扫描使场景完成最终拼接,完成注册参考扫描后会弹出一个对话框,在扫描结果里可以检查拼接精度和错误;选中没加载的扫描站,右键,在弹出的菜单里选已加载,将扫描数据加载然后再scans上右键,在弹出的菜单里选择三维视图,在三维点云视图里对点云数据进行检查,对一些不影响模型效果的噪点进行分割删除,去除被测区等范围外的点云,对处理好后的三维点云模型进行裁切,在裁切前首先确定模型所在坐标是否已经校正,在点云三维模型上建立正交坐标系,将三维点云模型进行切片,切片要尽量的薄,并且要尽可能的经过大部分构件,主要按照东西南北四个立面、顶面、平面、结构剖面等分别进行裁剪,形成相应的裁切后点云数据并导出至CAD中,利用BIM技术建模绘制使用。

在scans上右键单击在弹出的菜单里选择应用图片即可赋予点云色彩;将点云中的牌楼和大地分割,导出成单独的文件,根据前期测绘时制作的站点布置图,将相关建筑的扫描站加载,然后用选择工具将三维视图中相关建筑选上,在第一个站内选完后在选区上右键单击,在弹出的菜单中选择三维视图将会新建一个选中点云的三维视图,其余站选完后复制,切换到前面新建的那个点云三维视图,右键单击,在弹出菜单内选择添加扫描点命令就可将别的站内选中点云添加到里面。

点云数据拼接原理是同名点坐标间的一一对应匹配,通过站点配准将扫描的各不同坐标系的点云整合到同一个坐标体系中,通过文献[6]提出的ICP(迭代最近点)算法对各站点云进行精确拼接达到收敛精度,该算法原理是通过一个误差函数反映点云重合区域的重复程度,利用最小二乘法迭代计算最优坐标转换匹配,以达到误差函数值最小化,从而实现精准拼接。

ICP算法基本原理如下,已知两个待配准点云P和Q,点云P中的点pi从点云Q中查找距离pi欧氏距离最短的点qi,并以pi和qi作为对应点对获取变换矩阵,剔除一些距离较远点对,通过不断迭代运算,极小化误差函数,最终得到最优变换矩阵,使两点云重合[7]。

(1)

点云数据去噪与精简:

噪声点即扫描过程中获取的非目标点云数据。噪点产生的原因主要有仪器本身存在系统误差、扫描工作过程中不可控物体如飞鸟、车辆等进入扫描范围内;对拼接后的点云进行降噪处理可有效解决点云精度不高的问题。本研究主要使用平滑算法去噪[8],大体思路如下:

1)假使研究邻域大小为N,而距离阈值设置为D。

2)获取当前点P(X,Y,Z)周围邻域N范围内所有三维点云数据坐标,计算领域内点I(x,y,z)到当前点P的距离值d,计算公式如下:

(2)

3)比较d和D的大小,若dD,则比较下一邻域点。

4)所有邻域点完成后可得有效个数m,此时计算所有的有效邻域点的坐标和从而计算平均坐标,并将其赋给点P,计算公式如下:

(3)

5)计算点云数据中的每个点P并重复上述1)—4)的操作,最终完成去噪处理(见图3)。

2.3.2 航拍照片数据模型生成

航拍照片数据处理通过ContextCapture软件进行处理,此款软件源代码面向大众开放且支持多类型操作平台使用(如Windows,Mac,Linux等),支持常见的点云数据格式及对点云进行一些简单的处理。

1)建立空三工程。将航拍照片导入软件,设置相机参数。2)导入POS文件,导入控制点,并标记画面清楚、无遮挡的控制点照片。3)进行空中三角测量运算。4)标记全部控制点。根据控制点编辑器的推荐功能将位置清晰明显的控制点标记。5)新建重建项目。重新建立项目后,在空间框架内选择正确的坐标系,在切块处选择规则平面格网切块或规则立体切块,调整瓦片大小,使得重建需要的内存空间小于电脑内存。6)编辑感兴趣区域。可以编辑感兴趣区域,减少重建范围,节省时间。7)提交新的生产项目。8)生产项目定义,建立重构目标,可以重建三维网格、点云、DOM和DSM,生成DOM及DSM。