基于無人機傾斜攝影和三維激光掃描技術結合的古建測繪應用研究

梁昭陽

(福建船政交通職業學院 土木工程學院,福建 福州 350007)

0 引 言

中國有著光輝燦爛的歷史文化,而中國的古建藝術更是其中的典型代表,在長期的發展過程中不斷融合藝術和文化形成了獨特的建筑體系,中國的古建在藝術和技術上都達到了很高的水平,影響著世界建筑文化。古建作為一種文化精神的象征和載體,它們是歷史記憶的符號和社會文化發展的見證者,保護古建就是保護中國千百年的文化見證。古建和其他物質文化遺產一樣,是中國社會漫長的發展史中保留下來的寶貴遺產,是研究各歷史時期人民生產生活、民俗習慣、科技水平的重要載體[1]。中國古建大多以木質材料為主,其本身的易腐敗易燃等特性,對保存的環境和技術要求極高,保護難度大,一旦發生損毀,無法挽回,對于其背后蘊藏的文化研究價值損失更是無法估量,造成永久損失,不可逆。古建保護意義重大,傳統古建測繪工作主要以人工點位測量、距離測量、文字記錄等方式,簡單低效,且無法記錄完整信息,人工接觸式測量方式極易對古建造成破壞。隨著數字化建檔保護工作的提出,對古建測繪提出了更高的要求,如何快速、高效且非接觸式地對古建進行測繪成為當下急需解決的問題。

1 無人機傾斜攝影技術

基于航空攝影測量技術的三維建模是三維數字模型生產的重要手段之一,傳統的航空攝影測量必須使用大型有人飛機攜帶專業航攝相機采集垂直方向上的影像,也稱為垂直航空攝影,其嚴格的拍攝方向要求具有一定的局限性。無人機技術以其快速、便捷、靈活等優勢,逐漸發展出了傾斜攝影測量技術,它改變了傳統攝影測量智能獲取垂直角度影像的局限性[2]。傾斜攝影測量技術能夠通過在同一個空中平臺搭載多個傳感器,同時獲得垂直、傾斜等不同角度影像信息,實現快速、高效獲取被攝物體的完整外部數據信息,提升建模效率和成本[3]。采用傾斜攝影測量技術,不僅能夠可以獲取更加全面的地物紋理細節,使得模型數據真實還原地物的自然紋理和色彩,更加真實地反映地物的實際情況,還能夠同時獲取地物的真實地理位置信息,精度達到厘米級,極大地拓展了模型產品的應用領域。無人機傾斜攝影測量系統主要由飛行平臺、任務設備、地面站等系統組成。其中飛行平臺常見以固定翼、多旋翼為主,任務荷載部分可根據任務需求進行調整,傾斜攝影測量搭載設備主要以航測單鏡頭、多鏡頭相機為主。

2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種新型測繪技術,它是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命,促進了傳統測量方式向更加現代、更加便利的方向發展。三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”[4],其利用激光測距原理,采用高速激光掃描測量的方法,可大面積、高分辨率、快速地獲取物體表面各個點的(x.y.z)坐標、反射率、(R.G.B)顏色等數據信息,可快速復建出1∶1真彩色三維點云模型。

掃描被測物體的三維坐標可由下式解算[5]:

(1)

式中,θ、α分別為激光發射點在掃描坐標系中的夾角,S為掃描測距距離。相比于傳統單點目標測量手段,三維激光掃描儀作為一種非接觸式測量代表,其巨大優勢就在于可以快速掃描被測物體,不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數據。這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現。三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架以及系統配套軟件構成。近年來隨著技術的不斷發展,三維激光掃描儀逐漸向輕型化、便攜化發展,價格成本逐步降低,使得該技術在測繪行業得到了廣泛的發展和應用。

3 空地一體化技術路線

無論是無人機傾斜攝影還是三維激光掃描技術都具有各自的優勢,但它們同樣存在缺點,無人機傾斜攝影存在一定視角盲區且無法獲取內部信息,三維激光掃描無法獲取建筑物頂部等一些高處視角的信息。在古建測繪中不僅要獲取建筑外部信息還要獲取建筑內部結構信息,同時古建通常具有豐富的紋理圖案和花紋以及復雜的結構,對于古建測繪無論是在精度上還是細節上提出了更高的要求,兩項技術在古建測繪中存在明顯不足。針對傾斜攝影和三維激光掃描的技術特點,將兩個技術手段結合起來,利用無人機傾斜攝影進行外部數據采集,三維激光進行地面和內部結構的數據采集,以形成優勢互補,建立空地一體化的立體數據采集方法,具體技術路線如圖1所示。

圖1 空地一體化技術路線圖

天空端通過無人機采用空中傾斜攝影測量方式,獲取建筑外部多視角影像,建立實景三維模型,地面端利用三維激光掃描技術進行建筑內部結構掃描,獲取高密度三維點云數據。再利用數據融合技術,對點云、影像數據進行加工配準融合,將空、地數據一體化。然后,利用融合后的三維點云數據,按照古建建檔繪制平面、立面、剖面圖的不同要求,對點云進行不同角度和厚度的裁切,形成繪圖所需的基礎數據。最后,進入繪圖程序,完成繪制古建建檔所需的各類立、平、剖面等圖件。

4 項目應用分析

廈門擁有豐富的歷史文化資源,其中極具特色的紅磚建筑是閩南文化的典型代表,閩南紅磚建筑于2012年被列入我國世界遺產預備名錄。為了更好地做好歷史文化遺產保護和利用,數字化建檔工作勢在必行?；诖?選取紅磚古厝中的某處紅磚古建為對象,進行數字化測繪建檔,采用無人機結合三維激光掃描儀空地一體化測繪方案,對該宗祠古建進行數字化測繪,利用傾斜攝影和三維激光掃描技術無接觸測量方式,采集建筑內外信息,完成古建數字化測繪工作。

4.1 傾斜影像數據獲取

在外業數據獲取工作中,本次空中端數據采集設備選用性能穩定小巧靈活的大疆精靈Phantom 4 RTK無人機實施傾斜攝影測量。精靈Phantom 4 RTK是一款小型多旋翼高精度航測無人機,面向低空攝影測量應用,具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統。在本次項目中,需要保證影像數據分辨率優于 5 cm,滿足 1∶500數字線畫圖DLG及后續數據處理要求,根據飛行航高與GSD(地面影像分辨率)的基本關系,如公式(2)所示,可計算飛行最佳航高。

(2)

式中,H為飛行高度,f為鏡頭焦距,α為像元大小,GSD為影像的地面分辨率。本次使用的精靈Phantom 4 RTK無人機的f=8.8 mm,a=2.41 μm,實際作業時采用理論值一半左右進行作業,所以 1∶500作業采用GSD為2 cm/像素設計飛行高度?？紤]到飛行環境因素及后續處理的精度損失,本次實際飛行航線高度設計為 60 m,保證能夠清晰采集到建筑的表面影像信息,外業數據采集時分別從四個不同方向采用傾斜攝影方式采集建筑物的影像信息,飛行速度采用默認最大值即可。

4.2 三維點云數據獲取

在地面數據采集方面,采用Trimble X7影像三維激光掃描儀,它高度集成了三維激光掃描儀、近景攝影測量技術,掃描速度高達500 kHZ,測程0.6～80 m,測距精度 2 mm,測角精度21″。內置伺服驅動EDM,多鏡頭影像、自動校準、自動配準技術,具有自動校準功能,能同時對角度和距離作精確校準,確保成果的準確性和可靠性,工作時能夠一鍵自動完成校準、整平、掃描、拍照、下載和配準,提升數據采集效率。為了確保掃描點云數據的完整和數據拼接,實際掃描過程中,掃描時需保證一定的重疊度,建議重疊率不低于30%,相鄰測站點確保距離在 5 m左右。根據紅磚建筑的結構特點和內部紋理細節,為獲取完整的紋理信息,檐廊及各層樓道通廊處需增加測站進行局部掃描,保證內部斗拱和梁架等復雜結構能夠完整采集和拼接。實際掃描時為了減少冗余數據,提高采集數據效率,設置有效采集距離為 20 m,采用VISION 360掃描模式進行掃描,快速獲取清晰的全視野全景彩色圖像和彩色點云,最大化獲取測站數據。

4.3 配準融合

數據處理時需要先將空中端和地面端數據分開處理再進行融合,首先是地面端,需先將無人機傾斜攝影數據導入DJI Terra軟件,進行空三處理恢復像片位置和姿態,再進行密集匹配建模,生成稠密點云數據。地面端三維激光點云數據處理,將外業所測數據導入TBC軟件中進行拼接,處理前先要對原始數據的齊全性、完整性和可用性進行檢查,并確保每一測站之間存在公共點可以進行配準。其次,建立測站點云,利用公共重疊區域進行測站注冊并配準,配準時可結合特征點進行手動成對注冊和自動相結合方式進行,同時對配準精度進行檢測、目視檢測配準效果。需要注意的是如果采用特征點成對注冊即手動方式配準,要注意選取重疊度較高的區域進行配準,一般情況下選取1對點即可完成配準,如果效果不佳,可增加至2對點,再進行適當優化,確保配準效果,多數情況1～2對點即可實現配準。最后,將傾斜攝影獲取的天空端稠密點云轉換為*.las格式與地面端三維激光掃描儀所獲取的三維激光點云利用天寶RealWorks點云處理軟件進行數據融合,通過特征點,將無人機影像提取的點云與掃描點云進行配準,對屋頂等地面掃描缺失部分進行補充,形成完整的三維點云模型。經過融合有效彌補了三維激光點云數據漏洞、拉花等現象,建立完整的古建點云模型,融合后前后對比如圖2所示。

圖2 數據融合效果對比

4.4 建檔測繪與精度分析

(1)建檔測繪

經過空地一體化融合后的點云數據完整記錄了古建信息,但往往數據成果量較大,如果整體直接加載用于繪圖對于計算機系統要求高,影響繪圖效率,不利于后期工作。根據古建建檔要求,需要繪制平面圖、里面圖、剖面圖等圖件。因此,為了提升繪圖效率和質量,在繪圖前需要將融合后的點云成果利用RealWorks點云處理軟件點云切片功能進行切片處理,對點云按照不同視角和樓層進行一定厚度的裁切,并去除冗余點云和一些“飛點”,形成切片點云,裁切后能夠清晰確定和看清繪圖所需的門窗、柱、墻體、斗拱等構件的位置、大小、厚度等信息即可。最后,利用CAD等繪圖軟件加載融合切片后的點云成果,再基于切片后點云進行平面、剖面、立面圖的繪制,并對尺寸進行標注。針對部分精細紋理和結構復雜部件存在單一依靠點云影像判斷存在困難的情況,在實際工作過程中,可結合無人機影像、現場照片等影像數據進行判別。按照建筑中軸線切割分別繪制縱剖面圖和橫剖面圖,建筑物平面圖、建筑物立面圖,并對相關成果圖件進行整飾,最終形成古建測繪成果圖件,如圖3所示。

圖3 古建成果圖

(2)精度分析

融合后的三維模型具備了真實位置信息,可對模型進行尺寸精度驗證,采用人工測量和模型測得的進行數據對比的方法精細精度統計分析。在模型中綜合選取10組檢核邊進行邊長對比,依次對10組邊進行人工測距和模型測量,數據對比精度統計如表1所示。

表1 融合后三維模型邊長精度統計表

由表1精度統計可知,經過數據融合后的點云模型在邊長數據上與人工激光測距儀所測得邊長整體誤差為 2.8 cm,能夠滿足古建筑測繪規范的尺寸檢查中誤差限差要求。

5 結 語

通過工程實踐表明,利用無人機搭載高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果能夠精確獲得復雜表明紋理的三維實景模型,它直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性。三維激光掃描可以高效獲取無人機所無法拍攝的地面盲區及古建內部復雜結構的三維點云數據,兩種方法有機融合能夠實現優勢互補。應用無人機與三維激光掃描儀進行空地一體化作業,采用空、地點云融合處理的方案,有效解決古建數字建檔測繪工作中從整體到局部各方面的精細化建模需求,能夠將古建信息多角度表達出來,真正實現360°建模。一體化古建測繪形成了一套集建筑實景三維、建筑全景影像、建筑數字檔案的完整翔實數據檔案,將助力歷史風貌建筑的維修保護和開放利用。