趙小祥，陳 勇，黃 亮

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

古建筑的造型變化多樣，諸如斗拱、飛檐等復雜部件很難使用標準的直線、弧線等幾何圖形表示，皮尺、鋼卷尺、竹竿、全站儀等傳統(tǒng)測繪儀器[1]存在很大的局限性，現(xiàn)場勾勒草圖[2]的方式效率也比較低。另外，局部大樣采用攀爬方式進行測量，容易對歷史建筑造成不可逆的損壞。為此，本文以鹽城市大洋灣生態(tài)公園鹽瀆古鎮(zhèn)為例，探索將三維激光掃描技術[3]運用到古建筑測繪中，實現(xiàn)高效、準確、全要素的測量采集。目前，已有不少基于點云的古建筑測繪方法研究，許睿等人利用便攜式3D掃描儀對古建筑斗拱模型進行建模[4]，但手持設備并不適用于大型建筑的整體測繪。馬宏毓以及王崇恩等人研究了三維激光掃描與建筑信息模型(BIM)相結(jié)合的技術[5-6]，但仍不成熟。張晨頤等人使用地面激光掃描儀對玉溪市文星閣進行了三維建模[7]，但是直接在三維點云中勾畫邊緣線，對作業(yè)人員的技術要求較高。

本文通過點云切片、旋轉(zhuǎn)變換、邊緣檢測等方法，使得在三維點云中繪制平面圖、立面圖、剖面圖更加簡便。首先，在建筑外墻、室內(nèi)墻壁、內(nèi)外銜接以及樓層銜接等地方布設足夠數(shù)量、分布合理的靶標，并架設自由站快速獲取點云；然后，提取靶標中心作為配準的公共點，將所有點云置于統(tǒng)一坐標系下；最后，根據(jù)需要裁剪出點云切片，利用主成分分析[8]算法自動變換旋轉(zhuǎn)到俯視視角，利用Canny算子[9]在柵格特征圖中提取邊緣線，并在AutoCAD軟件中根據(jù)切片點云修整邊緣線[10]，得到平、立、剖圖形所需線條。

1 數(shù)據(jù)采集預處理

1.1 儀器設備

三維激光掃描儀選用Leica ScanStation C10，如圖1(a)所示。掃描范圍0.1 m到300 m，垂直視場角270°，水平視場角360°，模型表面精度±2 mm，靶標獲取精度±2 mm，最小掃描間距小于1 mm，最高速度5萬點/s。

靶標選用Leica HDS黑白靶標，在A4可粘貼紙張上打印，如圖1(b)所示。

圖1 儀器設備

1.2 三維激光掃描

為了減少外業(yè)工作量，使用自由架站的方式進行三維激光掃描，因此需要事先布設靶標，具體方法如下：

(1)針對室外，在每個外立面布設4個靶標，兩邊靠近轉(zhuǎn)角處各布設1個靶標，中間布設2個靶標。要求4個靶標不在同一高度，而是呈錯落分布。

(2)針對室內(nèi)外銜接過渡，布設3個以上的靶標，要求能被門內(nèi)外的設站同時觀測到，通常選擇門框側(cè)面或者門對面建筑。

(3)針對室內(nèi)，盡量選擇通視條件最好的地方布設靶標，讓盡可能多的站點處觀測到。為了樓層之間的銜接過渡，在樓梯轉(zhuǎn)角處增加3個以上的靶標。要求相鄰兩站之間，至少存在3個以上的公共靶標。

靶標布設完成后，開始進行三維激光掃描，選擇自由架站方式、全景掃描模式、高分辨率。主要原則如下：

(1)先進行外部掃描，再進行內(nèi)部掃描。內(nèi)部先掃描低樓層，再掃描高樓層。每個房間都需要進入獨立掃描，以減少盲區(qū)。

(2)為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，觀測角與主要掃描面之間的夾角需要大于30°。

(3)儀器盡量架設在地面、水泥板等剛性物體表面，盡量避開木板、鋼板等非剛性平臺。

1.3 點云數(shù)據(jù)處理

使用三維激光掃描儀配套的Leica Cyclone軟件進行數(shù)據(jù)的導出、解析、配準、去噪、裁剪等預處理操作。其中，配準需要利用靶標信息，效果如圖2所示，具體步驟為：

圖2 預處理成果

(1)在Cyclone軟件中打開基準工程“Project R”，待配準工程“Project A”，在Modelspace視圖中把點云模型調(diào)整到合適位置、大小、角度。

(2)創(chuàng)建Registration窗口，在Cloud Constraints Wizard窗口中建立“Project A”到“Project R”的幾何約束關系。

(3)在“Project A”與“Project R”之間選擇至少3對同名點(靶標或者其他角點)。

(4)實施配準：依次操作Cloud/Mesh-->Cloud Constraint-->Optimize Cloud Aligment，彈出配準結(jié)果窗口，檢驗配準精度。

在點云配準完成后，還要使用統(tǒng)計濾波器(SOR，StatisticalOutlierRemoval)過濾掉點云中的隨機噪聲，并人工裁剪掉墻角處的植被等無用數(shù)據(jù)。

2 平立剖繪制

2.1 點云切片與旋轉(zhuǎn)

使用AutoCAD 2014及以上版本作為繪圖軟件，利用交互方式獲取繪制平面圖、立面圖、剖面圖所需的點云切片。

點云切片數(shù)據(jù)依然是三維的，直接在三維點云中跟蹤邊緣線，由于視線方向的深度較大，會導致技術要求高、生產(chǎn)效率低、準確率無法保證等不足。如果能將點云所呈現(xiàn)的平、立、剖面切換到正射視角，能夠極大提高后續(xù)作圖的速度與質(zhì)量，但手動旋轉(zhuǎn)的方式無法實現(xiàn)精確變換。為此，本文引入三維主成分分析(PCA，Principal Component Analysis)，利用Eigen開源庫實現(xiàn)功能，主要步驟為：首先，求取切片點云的質(zhì)心坐標，并將所有點的坐標減去該值；接著，計算切片點云的協(xié)方差矩陣，得到3個特征向量及其對應的特征值；最后，將最小特征值對應的特征向量輸出為法向量。

計算法向量與豎直方向的夾角，在右手直角坐標系中，前立面、左右剖面繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)該角度，后立面繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn)該角度，左立面繞Y軸順時針旋轉(zhuǎn)該角度，右立面、前后剖面繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)該角度。均得到正射視角。本文利用liblas庫支持點云的讀寫，利用eigen庫支持點云的PCA計算以及旋轉(zhuǎn)矩陣運算，最終對指定類型的點云切片實現(xiàn)了自動旋轉(zhuǎn)變換。效果如圖3所示。

圖3 點云切片

2.2 平立剖繪制

在Cyclone軟件中將點云切片柵格化，生成二值特征圖，利用Canny算子提取邊緣線，并保存為dwg格式。AutoCAD軟件同時導入點云切片以及邊緣線，根據(jù)點云對邊緣線進行編輯修改，生成最終的平面圖(圖4)、立面圖(圖5-圖6)、剖面圖(圖7-圖8)。

圖4 平面圖

圖5 前立面圖

圖6 右立面圖

圖7 東西向E-E剖面

圖8 南北向1-1剖面

3 結(jié) 語

本文方法首先利用三維激光掃描儀自由架站的方式快速獲取古建筑室內(nèi)室外的高精度點云數(shù)據(jù)，各站數(shù)據(jù)依靠靶標進行配準。接著，按照平立剖需求對點云實施人工切片，并引入主成分分析方法實現(xiàn)點云切片的自動旋轉(zhuǎn)變換。最后，利用Canny算子提取邊緣線，并在AutoCAD中結(jié)合點云編輯邊緣線生成平面圖、立面圖、剖面圖。該方法具備成本低、速度快、精度高等優(yōu)勢。但由于儀器設備的視角局限性，頂面數(shù)據(jù)缺失較多。因此，下一步工作需要研究無人機載激光掃描與地面激光掃描相結(jié)合的古建筑測繪方法，重點解決多源點云數(shù)據(jù)的配準精度。