基于无人机倾斜摄影和三维激光扫描技术结合的古建测绘应用研究

梁昭阳

(福建船政交通职业学院 土木工程学院,福建 福州 350007)

0 引 言

中国有着光辉灿烂的历史文化,而中国的古建艺术更是其中的典型代表,在长期的发展过程中不断融合艺术和文化形成了独特的建筑体系,中国的古建在艺术和技术上都达到了很高的水平,影响着世界建筑文化。古建作为一种文化精神的象征和载体,它们是历史记忆的符号和社会文化发展的见证者,保护古建就是保护中国千百年的文化见证。古建和其他物质文化遗产一样,是中国社会漫长的发展史中保留下来的宝贵遗产,是研究各历史时期人民生产生活、民俗习惯、科技水平的重要载体[1]。中国古建大多以木质材料为主,其本身的易腐败易燃等特性,对保存的环境和技术要求极高,保护难度大,一旦发生损毁,无法挽回,对于其背后蕴藏的文化研究价值损失更是无法估量,造成永久损失,不可逆。古建保护意义重大,传统古建测绘工作主要以人工点位测量、距离测量、文字记录等方式,简单低效,且无法记录完整信息,人工接触式测量方式极易对古建造成破坏。随着数字化建档保护工作的提出,对古建测绘提出了更高的要求,如何快速、高效且非接触式地对古建进行测绘成为当下急需解决的问题。

1 无人机倾斜摄影技术

基于航空摄影测量技术的三维建模是三维数字模型生产的重要手段之一,传统的航空摄影测量必须使用大型有人飞机携带专业航摄相机采集垂直方向上的影像,也称为垂直航空摄影,其严格的拍摄方向要求具有一定的局限性。无人机技术以其快速、便捷、灵活等优势,逐渐发展出了倾斜摄影测量技术,它改变了传统摄影测量智能获取垂直角度影像的局限性[2]。倾斜摄影测量技术能够通过在同一个空中平台搭载多个传感器,同时获得垂直、倾斜等不同角度影像信息,实现快速、高效获取被摄物体的完整外部数据信息,提升建模效率和成本[3]。采用倾斜摄影测量技术,不仅能够可以获取更加全面的地物纹理细节,使得模型数据真实还原地物的自然纹理和色彩,更加真实地反映地物的实际情况,还能够同时获取地物的真实地理位置信息,精度达到厘米级,极大地拓展了模型产品的应用领域。无人机倾斜摄影测量系统主要由飞行平台、任务设备、地面站等系统组成。其中飞行平台常见以固定翼、多旋翼为主,任务荷载部分可根据任务需求进行调整,倾斜摄影测量搭载设备主要以航测单镜头、多镜头相机为主。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是一种新型测绘技术,它是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命,促进了传统测量方式向更加现代、更加便利的方向发展。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”[4],其利用激光测距原理,采用高速激光扫描测量的方法,可大面积、高分辨率、快速地获取物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等数据信息,可快速复建出1∶1真彩色三维点云模型。

扫描被测物体的三维坐标可由下式解算[5]:

(1)

式中,θ、α分别为激光发射点在扫描坐标系中的夹角,S为扫描测距距离。相比于传统单点目标测量手段,三维激光扫描仪作为一种非接触式测量代表,其巨大优势就在于可以快速扫描被测物体,不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。近年来随着技术的不断发展,三维激光扫描仪逐渐向轻型化、便携化发展,价格成本逐步降低,使得该技术在测绘行业得到了广泛的发展和应用。

3 空地一体化技术路线

无论是无人机倾斜摄影还是三维激光扫描技术都具有各自的优势,但它们同样存在缺点,无人机倾斜摄影存在一定视角盲区且无法获取内部信息,三维激光扫描无法获取建筑物顶部等一些高处视角的信息。在古建测绘中不仅要获取建筑外部信息还要获取建筑内部结构信息,同时古建通常具有丰富的纹理图案和花纹以及复杂的结构,对于古建测绘无论是在精度上还是细节上提出了更高的要求,两项技术在古建测绘中存在明显不足。针对倾斜摄影和三维激光扫描的技术特点,将两个技术手段结合起来,利用无人机倾斜摄影进行外部数据采集,三维激光进行地面和内部结构的数据采集,以形成优势互补,建立空地一体化的立体数据采集方法,具体技术路线如图1所示。

图1 空地一体化技术路线图

天空端通过无人机采用空中倾斜摄影测量方式,获取建筑外部多视角影像,建立实景三维模型,地面端利用三维激光扫描技术进行建筑内部结构扫描,获取高密度三维点云数据。再利用数据融合技术,对点云、影像数据进行加工配准融合,将空、地数据一体化。然后,利用融合后的三维点云数据,按照古建建档绘制平面、立面、剖面图的不同要求,对点云进行不同角度和厚度的裁切,形成绘图所需的基础数据。最后,进入绘图程序,完成绘制古建建档所需的各类立、平、剖面等图件。

4 项目应用分析

厦门拥有丰富的历史文化资源,其中极具特色的红砖建筑是闽南文化的典型代表,闽南红砖建筑于2012年被列入我国世界遗产预备名录。为了更好地做好历史文化遗产保护和利用,数字化建档工作势在必行。基于此,选取红砖古厝中的某处红砖古建为对象,进行数字化测绘建档,采用无人机结合三维激光扫描仪空地一体化测绘方案,对该宗祠古建进行数字化测绘,利用倾斜摄影和三维激光扫描技术无接触测量方式,采集建筑内外信息,完成古建数字化测绘工作。

4.1 倾斜影像数据获取

在外业数据获取工作中,本次空中端数据采集设备选用性能稳定小巧灵活的大疆精灵Phantom 4 RTK无人机实施倾斜摄影测量。精灵Phantom 4 RTK是一款小型多旋翼高精度航测无人机,面向低空摄影测量应用,具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统。在本次项目中,需要保证影像数据分辨率优于 5 cm,满足 1∶500数字线画图DLG及后续数据处理要求,根据飞行航高与GSD(地面影像分辨率)的基本关系,如公式(2)所示,可计算飞行最佳航高。

(2)

式中,H为飞行高度,f为镜头焦距,α为像元大小,GSD为影像的地面分辨率。本次使用的精灵Phantom 4 RTK无人机的f=8.8 mm,a=2.41 μm,实际作业时采用理论值一半左右进行作业,所以 1∶500作业采用GSD为2 cm/像素设计飞行高度。考虑到飞行环境因素及后续处理的精度损失,本次实际飞行航线高度设计为 60 m,保证能够清晰采集到建筑的表面影像信息,外业数据采集时分别从四个不同方向采用倾斜摄影方式采集建筑物的影像信息,飞行速度采用默认最大值即可。

4.2 三维点云数据获取

在地面数据采集方面,采用Trimble X7影像三维激光扫描仪,它高度集成了三维激光扫描仪、近景摄影测量技术,扫描速度高达500 kHZ,测程0.6～80 m,测距精度 2 mm,测角精度21″。内置伺服驱动EDM,多镜头影像、自动校准、自动配准技术,具有自动校准功能,能同时对角度和距离作精确校准,确保成果的准确性和可靠性,工作时能够一键自动完成校准、整平、扫描、拍照、下载和配准,提升数据采集效率。为了确保扫描点云数据的完整和数据拼接,实际扫描过程中,扫描时需保证一定的重叠度,建议重叠率不低于30%,相邻测站点确保距离在 5 m左右。根据红砖建筑的结构特点和内部纹理细节,为获取完整的纹理信息,檐廊及各层楼道通廊处需增加测站进行局部扫描,保证内部斗拱和梁架等复杂结构能够完整采集和拼接。实际扫描时为了减少冗余数据,提高采集数据效率,设置有效采集距离为 20 m,采用VISION 360扫描模式进行扫描,快速获取清晰的全视野全景彩色图像和彩色点云,最大化获取测站数据。

4.3 配准融合

数据处理时需要先将空中端和地面端数据分开处理再进行融合,首先是地面端,需先将无人机倾斜摄影数据导入DJI Terra软件,进行空三处理恢复像片位置和姿态,再进行密集匹配建模,生成稠密点云数据。地面端三维激光点云数据处理,将外业所测数据导入TBC软件中进行拼接,处理前先要对原始数据的齐全性、完整性和可用性进行检查,并确保每一测站之间存在公共点可以进行配准。其次,建立测站点云,利用公共重叠区域进行测站注册并配准,配准时可结合特征点进行手动成对注册和自动相结合方式进行,同时对配准精度进行检测、目视检测配准效果。需要注意的是如果采用特征点成对注册即手动方式配准,要注意选取重叠度较高的区域进行配准,一般情况下选取1对点即可完成配准,如果效果不佳,可增加至2对点,再进行适当优化,确保配准效果,多数情况1～2对点即可实现配准。最后,将倾斜摄影获取的天空端稠密点云转换为*.las格式与地面端三维激光扫描仪所获取的三维激光点云利用天宝RealWorks点云处理软件进行数据融合,通过特征点,将无人机影像提取的点云与扫描点云进行配准,对屋顶等地面扫描缺失部分进行补充,形成完整的三维点云模型。经过融合有效弥补了三维激光点云数据漏洞、拉花等现象,建立完整的古建点云模型,融合后前后对比如图2所示。

图2 数据融合效果对比

4.4 建档测绘与精度分析

(1)建档测绘

经过空地一体化融合后的点云数据完整记录了古建信息,但往往数据成果量较大,如果整体直接加载用于绘图对于计算机系统要求高,影响绘图效率,不利于后期工作。根据古建建档要求,需要绘制平面图、里面图、剖面图等图件。因此,为了提升绘图效率和质量,在绘图前需要将融合后的点云成果利用RealWorks点云处理软件点云切片功能进行切片处理,对点云按照不同视角和楼层进行一定厚度的裁切,并去除冗余点云和一些“飞点”,形成切片点云,裁切后能够清晰确定和看清绘图所需的门窗、柱、墙体、斗拱等构件的位置、大小、厚度等信息即可。最后,利用CAD等绘图软件加载融合切片后的点云成果,再基于切片后点云进行平面、剖面、立面图的绘制,并对尺寸进行标注。针对部分精细纹理和结构复杂部件存在单一依靠点云影像判断存在困难的情况,在实际工作过程中,可结合无人机影像、现场照片等影像数据进行判别。按照建筑中轴线切割分别绘制纵剖面图和横剖面图,建筑物平面图、建筑物立面图,并对相关成果图件进行整饰,最终形成古建测绘成果图件,如图3所示。

图3 古建成果图

(2)精度分析

融合后的三维模型具备了真实位置信息,可对模型进行尺寸精度验证,采用人工测量和模型测得的进行数据对比的方法精细精度统计分析。在模型中综合选取10组检核边进行边长对比,依次对10组边进行人工测距和模型测量,数据对比精度统计如表1所示。

表1 融合后三维模型边长精度统计表

由表1精度统计可知,经过数据融合后的点云模型在边长数据上与人工激光测距仪所测得边长整体误差为 2.8 cm,能够满足古建筑测绘规范的尺寸检查中误差限差要求。

5 结 语

通过工程实践表明,利用无人机搭载高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果能够精确获得复杂表明纹理的三维实景模型,它直观反映地物的外观、位置、高度等属性。三维激光扫描可以高效获取无人机所无法拍摄的地面盲区及古建内部复杂结构的三维点云数据,两种方法有机融合能够实现优势互补。应用无人机与三维激光扫描仪进行空地一体化作业,采用空、地点云融合处理的方案,有效解决古建数字建档测绘工作中从整体到局部各方面的精细化建模需求,能够将古建信息多角度表达出来,真正实现360°建模。一体化古建测绘形成了一套集建筑实景三维、建筑全景影像、建筑数字档案的完整翔实数据档案,将助力历史风貌建筑的维修保护和开放利用。