利用激光雷达技术制作古建筑立面图.docx

利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征摘要：随着激光雷达技术的发展，激光雷达技术已经应用到了更广泛的领域。本文主要介绍了利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征的原理和方法。运用激光扫描仪对古建筑物进行扫描，获取古建筑物表面的高清晰三维激光点云数据，然后利用三维点云数据和相应的建模软件制作出三角网模型和Nurbs模型，最后利用这两种模型来提取古建筑的线性特征。古建筑的线性特征主要包括立面图、平面图和剖面图。用三角网模型制作立面图；用三角网模型和Nurbs模型来制作平面图和剖面图。应用激光雷达技术制作的各种线性图效率高、精度好、真实性强，在古建筑物的保护和重建中具有一定的应用价值。关键字：激光雷达，古建筑，线性特征，立面图，平面图，剖面图Application of the 3D-laser Technology for Distilling the Linear Feature of Ancient ArchitectureAbstract：With the development of the 3D-laser technology, the technology has been applied in many aspects. The article introduces that using the technology of 3D-laser distill the linear feature of ancient architecture method. By scanning the ancient buildings with three-dimension laser scanner, we could get high precise 3D cloud-point data which is the surface of the ancient architectures，then, using the 3D cloud-point data and modeling software make Tin-Model and Nurbs-Model which can be used to pick-up the line detection of ancient .The line detection of the ancient includes elevation , plan and section map. Using Tin-Model makes the elevation ; Using Tin-Model and NURBS-Model make the plan and section map. Line detection using 3D-laser technology have some characters, such as high efficiency , good precision , strong reality , and have some application worthiness in the ancient architecture protection and reestablish . Keywords: 3D-laser,ancient, linear feature，elevation，plan，section map引言随着数字城市建设的起步,建筑物立面测绘已得到越来越广泛的应用。在一些建筑设计图纸资料短缺不全甚至没有的情况下(如古建筑物),为了研究这些建筑物的形式和风格，我们需要用测绘的手段获取完整的建筑资料并作档案保存。建筑物线性特征提取的测绘方法很多, 传统方法之一是利用钢尺和水准仪量取每层楼的平面、立面或剖面的特征点的位置和相应特征线的距离,进而利用大楼的设计和现状的几何关系绘出线性特征图;比较先进些的方法主要是运用GPS，全站仪或者是测量机器人等仪器量测来获取特征点和特征线； 还有一种方法是采用近景摄影测量的方法，运用摄影测量的原理来获取物方点的三维坐标，从而提取建筑物的线性特征。以上方法在实际应用中都各有优缺点。前两种方法运用的工具比较容易获取，但获取的建筑物的立面信息比较少，对于一些特殊的建筑，比如古建筑，就不能很好的表达其立面、平面、剖面的复杂特征，如复杂脚线，浮雕，装饰线和内部的大木结构等，并且耗费的时间较长。后一种方法的特点是建筑物立面信息获取比较丰富，但此方法需要用专用的量测相机，并且受到现场的客观条件的限制，而且还会出现如树的遮挡的问题等。因此选择一种高效，精确的方法提取古建筑的线性特征是必要的。激光雷达技术是近几年发展的一项新技术，激光扫描具有由扫描速度快、精度高、信息丰富等特点。本文介绍了运用激光雷达技术提取古建筑的线性特征的原理和过程。一、激光雷达技术的原理及现状激光扫描仪通过运用从激光束被发射到激光束到达被测物体再被反射回扫描仪的时间差得到扫描仪到被测物体的距离，再运用连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到被测物体的三维坐标。图1是激光雷达的扫描原理示意图。本文中制作建筑物立面图用到的是徕卡公司的中程 图 1 扫描仪HDS3000和近距离扫描仪HDS4500。它们的扫描范围分别是是100-300m和10100m，扫描视场分别是360270和360310。它们的的点位精度都小于士6mm，形成的三角网模型的表面精度能达到士2mm。二、点云数据采集数据采集首先要设置测站点。设置站点要选择视野开阔的地方，并且要分布均匀，以能够达到完整的扫描建筑物。如果扫描的是大型建筑物，则应该按照现场的情况多设置几站，保证了扫描的完整性和站点间一定的重合度 图 2 （为站点间的点云的拼接作准备）。其次，要在被测范围内设置控制点，控制点的设置要保证每站间有至少4个同名控制点，并且整体控制点还要分布全面且均匀。控制点的设置用来点云的拼接和被测物体坐标向建筑坐标的转换。最后，在设置的站点上安装仪器，设置好参数后进行扫描。图2是扫描时的情景。三、点云数据处理3.1 点云的拼接及坐标的转换。把采集回的不同站点间的数据进行拼接，以获得建筑物完整的点云模型。运用扫描仪采集的数据和相匹配的软件cyclone以及相邻站间的同名标靶点进行相邻测站数据的拼接,拼接的精度可达到2mm左右。通过控制点在扫描坐标中的坐标和其在相应建筑坐标系中的坐标就可以得到转换模型的参数，即可将扫描得到的点云坐标转换到相应的建筑坐标中去。此时点云模型的每一个点都是在规定坐标系下的真是物方坐标，并且精度很高。3.2 三维实体模型的重构和NURBUS曲面实体的建立3.2.1 三维三角网模型的重构图 3本文三维模型的重构运用的是Geomagic和PolyWorks软件。由于扫描数据量大，所以要把拼接完整的点云模型进行分割，才能用现有的软件进行处理。首先用Geomagic软件建立三角网模型，建网时注意建网参数的设定。Geomagic软件建立三角网模型前要对噪声点进行有效的去除，制作出的模型表面比较平滑,对有漏洞的地方在建立好三角网后要进行修补，使模型比较完整。然后用PolyWorks软件对此时生成的三角网模型进行抽稀，运用此软件进行抽稀的原因是此软件并不是简单的均匀化的抽稀，而是带有一定的智能化。抽稀后建筑物的特征部分体现的比较清晰，并没有失真。把抽稀后的模型称之为简化模型，简化模型不仅数据量小，而且表面比较光滑，轮廓比较清晰，有利于对其表面进行线性提取和对纵横剖面进行剖割。此时模型上每一点都有其真实的三维坐标。图3所示为某古建筑的部分三角网模型的简化模型。3.2.2 NURBS曲面实体模型的建立图4对于古建筑内部的大木结构而言，以往的记录方法是用拍照和拉皮尺进行量测和记录。但是一般古建筑的大木结构比较复杂，在此我们应用激光扫描仪获取大木结构的点云数据，再应用逆向工程软件来拟和NURBS曲面，就可以得到大木结构的实体曲面模型。如图示为某古建筑利用点云数据制作的大木结构。制作古建筑大木结构的时候要对其结构进行现场的勘查，了解大木结构各个构建的基本形状，因为往往很多细节部分扫描仪无法扫到，在遵照其原状的基础上需要用逆向工程软件进行补偿，比如梁和圆柱之间的接口部分。同时还要注意，要根据不同构建的特征来选择软件不同的功能，使模型和点云能够达到最佳的拟和。 四、古建筑的线性特征提取4.1 古建筑立面图的制作在PolyWorks中打开IMInspect 模块,导入制作好的三角网简化模型,先正射显示,然后再正视显示，此时即可以在正射模型上依照建筑物的立面特征描绘出古建筑物的立面轮廓。图5所示是某古建筑“吻兽”的立面轮廓的描绘。描绘建筑物立面轮廓首先要对建筑物的外貌有一定的了解，这样在踩点时才能对建筑物立面图所需要的特征点进行准确的选取，以保证立面图的精度。像故宫太和殿这样的古建筑表面轮廓复杂，描绘其立面轮廓时要把模型平移、放大，以做到能够精确的描绘出其复杂的立面轮廓。同时要明确的一点是，所描绘的立面轮廓是在三维模型上描绘的，所以描绘出的是三维图形，同时带有三维坐标。描绘完建筑物的立面轮廓后把其按照.dxf的格式导出。 图 5 图 6在CAD中打开导出的线划轮廓图，在CAD立体视图中正视显示，即可得到古建筑立面轮廓图。图6为吻兽在CAD中的线划图。因为此时描绘的建筑物的立面轮廓是线划图，有很多细节的部分还需要修饰，比如圆、曲线等，所以还要在CAD中对其进行修饰，以达到视图的美观。修饰完毕后，加上图廓，标注上比例尺、名称、制作单位、负责人等便完成了建筑物立面图的制作。如图7所示为本文所制作的某古建筑的立面图。图 7这里值得提出的是，因为此立面图是由三维三角网描绘出来的，其上的每一点有其真实的三维坐标，所以可以在CAD的三维视图中直接量测和标注我们想要的信息，同时还体现了建筑物立面的现状。4.2 古建筑的平面图的制作平面图的制作需要用到三角网简化模型和NURBUS曲面实体模型。因为我国的古建筑多数为木质结构，并且屋内大都是用圆木支撑（如故宫），所以外部线特征可以运用三角网模型切割来得到平面特征，而圆柱的位置要运用实体模型来确定才比较准确。首先，打开PolyWorks软件的IMInspect 模块，按块和平面图所需的位置导入古建筑外部的三角网模型（如果建筑物较大、数据量大的情况下可以分批导入），选定所需要的高程，运用软件的相应功能剖取一定高程下的外围线性特征。最后在Imageware中导入NURBUS曲面实体模型，剖取同样高程的内部柱体的线性特征。把此时取得的建筑物的所有的线性特征都按照.dxf的格式保存，然后在CAD中合成整个平面特征，再经过修饰、整绘和标注制作出平面图。图8是本文制作的某古建筑独立坐标系某一高程下的平面图的制作流程。用大木结构剖取的内部线性特征用模型剖取的外围线性特征 图8 某建筑物的平面图平面图的标注主要包括建筑物各个特征间的距离，因为我们得到的线性特征是从真是的三维模型上获取的，所以每一点都带有三维坐标，此时，我们可以直接在CAD上量测我们想要的数据，并直接进行标注。4.3 古建筑剖面图的制作 三维激光扫描数据建立的模型是三维的，我们可以再模型上所取任何位置的数据，这就给制作剖面图带来了很大的方便。用大木结构剖取的纵剖面线性特征用模型剖取的外围屋顶线性特征图 9 古建筑纵剖面图制作剖面图需要三角网简化模型和NURBUS曲面实体模型。因为我们拥有整个建筑的模型，所以可以很容易制作出一个建筑物的多个位置的纵横剖面图。首先，选择所需剖面图的位置，取出此位置屋顶外部瓦片的三角网模型，导入PolyWorks软件的IMInspect 模块中，正射显示模型。然后选择所剖面的方向，同时输入欲剖位置的值，设置好参数后执行此命令，便可以得到外围轮廓的线性特征。古建筑的内部结构，特别是木质古建筑的结构很复杂，此时要运用木结构的实体模型来得到剖面内部的线性特征。把木质结构Nurbs曲面实体模型导入Imageware软件中，正视显示实体模型，然后找到剖面图的位置，在此位置剖出一个截面，就可以得到古建筑内部大木结构的线性特征了。把以上得到的线性特征按照.dxf的格式保存。在CAD中打开两个.dxf格式的文件，在三维视图中正视显示，就可以得到二维的剖面图了。因为都是同一坐标系下的数据建立的模型，所以两个数据就组成了完整的剖面图。根据要求在剖面图中直接标注古建筑内部特征结构的相应数据，比如梁架两端和中点的高程，梁架和立柱之间的长、宽等等。图9为制作某古建筑纵剖面图的流程。五、利用激光雷达技术提取古建筑立线性特征的特点运用激光雷达技术提取古建筑的线性特征是激光雷达技术在古建筑保护与重建中的又一个重要的应用，通过试验可以看到，此种方法与以往制作古建筑各种线性特征图的方法相比较有很多优点。首先，激光扫描仪较之其他测绘仪器有很多的优势。扫描仪体积小，采集数据的速度快，每秒最多可达到五十万个点；扫描数据精度高，可达到0.01-5mm；同时雷达扫描不仅能够得到空间信息，还能得到灰度信息和真彩色纹理，这些都提高了线性特征提取的精度。其次，利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征所运用的逆向工程的理论。在建筑中制作立面图、平面图或者是剖面图都是在施工之前的设计阶段进行的，是按照设计者的意思化出来的，有标准的尺寸和规格。现有的建筑测绘是应用长用的测绘仪器，如测量机器人、全站仪等正向的提取现有建筑物的特征点，然后划出建筑物的线性特征；还可以应用摄影测量和遥感等方法通过影像的获取、配准来提取线性特征。而激光雷达扫描技术是通过非接触式扫描来快速、高密度、高精度的来获取建筑物表面的三维数据，然后运用点云模型来建立建筑物的实体模型，是在得到建筑物整体模型的前提下来描绘或者剖取建筑物的线性特征，与其它方法相比是逆向的过程。最后，激光雷达数据获取了建筑物表面每一点的三维坐标，所以我们提取的线性特征上的每一点也具有真实的三维坐标，这时目前现有的方法中所不能相比的。应用三维点云数据就可以提取我们想要的任何线性特征，在保证高精度的同时还大大提高了生产效率。可以出任意比例的二维图，也可以在图上量取任何我们想要得到的信息。六、激光雷达技术的应用前景利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征只是其中的一项应用，在这项技术中还能够生产出其它许多产品。我们可以用上述的方法制作建筑物某个方向上的偏移图，从而来研究古建筑物的变形情况；可以把生成的三角网模型贴上纹理，然后按照规定的比例输出，再在PhotoShop中将其拼接在一起生成古建筑的整体的正射影像；还可以运用激光雷达技术对大型精密建筑进行施工中的变形检测；也可以定期对重点建筑物进行定期观测，察看其变形情况。在数字城市的领域中，激光雷达技术也会有其广泛的应用，比如运用贴好纹理的模型制作虚拟城市，如果进入了这个虚拟空间就可以通过量测得到我们想要的任何信息！五、结束语 古建筑物的立面图、平面图、剖面图是古建筑维护和重建的重要资料,运用激光雷达技术能够更精确、更快速、更真实的提取古建筑的线性特征。激光雷达技术比较新颖，其数据结构中不仅包含空间信息还带有纹理信息，但由于目前还没有真正的三维地理信息方面的软件，所以我们只能结合现有的软件来处理激光数据。目前的线性提取只能是半自动化，人工干预的成分还比较多，相信随着软件技术的不断进步，一定会有相应的三维地理信息软件，这样就可以用很少的人工干预甚至不干预达到智能化，通过计算机的计算自动提取建筑物的三维线性特征！在今后的学习和工作中，我们要更多的研究三维地理信息系统软件的开发，争取做出更多更新的成果！参考文献：1 Mark & Hendrik,Monthly Cyra Newsletter,February 4th.20032伊晓东，王子茹. 基于分区控制下的建筑物立面图测绘. 大连理工大学学报,2004(5).3 周克勤，许志刚，宇文仲. 三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用.工程勘察,2004(5).4 王健.从激光扫描仪数据中提取建筑物的立面信息. 5 冯文灏. 近景摄影测量M . 武汉: 武汉大学出版社,2002.