刘冠杰 周茂伦 李国玉

(1. 山东科技大学 测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590; 2. 青岛秀山移动测量有限公司, 山东 青岛 266590)

0 引言

随着城市化进程的不断推进,部分老旧建筑物在形象、安全性等方面已无法满足现代建设的需求,对其的治理规划显得愈发重要。立面测量可将建筑物各部位的位置关系、尺寸等反映在立面图上,为整治改造工程的设计及结算提供依据。传统手段通过全站仪、测距仪等辅助设备获取立面信息,不仅内外业工作量大,且效率、精度相对较低[1-3]。近年来部分测绘新技术逐步应用于立面测量中[4],一定程度上改进了作业的自动化程度,但仍存在一些不足:倾斜摄影技术[5]的精度以及三维激光扫描技术[6]的速度、灵活性无法达到工程建设的要求。

如何取长补短,使数据获取的方式更加高效便捷,成为立面测量工作亟须解决的问题。车载移动测量系统在城乡规划、道路测量等领域得到了广泛的应用[7],系统兼具测角、测距、定位、摄影功能[8],可从地面快速精准的采集测区内空间属性数据和实景影像信息[9],车辆作为多种传感器的搭载平台,保证了系统机动性和作业可持续性[10]。本文基于车载移动测量系统采集立面数据,弥补了其他方式的缺陷,为立面测量提供新的技术手段。

1 立面测量流程

基于车载移动测量系统的立面测量主要分为前期准备阶段、数据采集与处理阶段以及成果制作与检核阶段。首先在收集资料和现场踏勘的基础上制定出详细的外业工作方案;随后系统采集测区内建筑物信息,经内业处理得到工程需要的点云数据;最后以点云数据为参考绘制出立面图,并对不符合要求的区域进行补测,完善成图。总技术流程如图1所示。

图1 立面测量技术流程图

2 数据获取

2.1 车载移动测量系统

车载移动测量系统是一套由多传感器集成的数字化系统[11],主要包括数据存储系统、同步控制系统、数据采集系统以及测量设备载体,系统构成如图2所示。

图2 车载移动测量系统构成

惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全景相机、激光扫描仪等设备安装固定在测量设备载体上,同步控制系统通过GPS时间控制各设备单元。在载体运动过程中,激光扫描仪和全景相机快速扫描道路及沿线地物,获取其三维坐标、强度信息、纹理特征信息,并通过串口将采集的扫描数据传输到数据存储系统中;同时利用IMU、GNSS进行组合导航,获取系统的姿态信息和位置信息;将组合导航数据与扫描数据融合,生成带有绝对坐标的三维彩色点云数据[12];再依靠专业软件处理点云数据并绘制出立面图[13],即可完成立面测量工作。

2.2 外业数据采集

首先在已知控制点架设GPS基准站,选择空旷区域对系统进行组合导航对准工作,包括静止状态下地对准和机动状态下地对准两部分。对准成功后,沿规划路线扫描采集数据,采集过程中要尽量避免逆光,因循GPS信号较强的路线开展扫描工作;适当控制采集速度,保证影像及激光点云密度。采集结束时仍要在空旷区域进行组合导航对准,前后两次对准的目的是确定车载移动测量系统初始和终止位置,提高数据解算质量[14]。随后关闭仪器,完成外业采集并得到原始数据。

3 数据处理

3.1 点云数据处理

车载移动测量系统采集的原始数据经处理后才能被其他应用使用。首先基于单基站紧组合卡尔曼滤波算法处理GPS基准站数据、组合导航数据,解算出详细轨迹;然后将轨迹信息与激光扫描仪、全景相机获取的扫描数据融合,得到包含纹理信息的真彩点云数据;最后再经过坐标转换得到工程需要的点云数据。

3.2 缺失点云处理

在车载移动测量系统获取的点云数据中,部分建筑物会产生空洞,如图3所示。造成这种现象的原因有两种,一种是采集数据时车速过快,点云密度无法达到要求,不能正确描述复杂建筑物表面特征产生的少量点云缺失;另一种是受到环境、地形等因素影响,扫描区域处于视野盲区造成的大量点云缺失。

图3 空洞现象示意图

少量点云缺失可根据实景影像和分布规则对空洞区域进行补充。由于部分建筑物过高或建筑外墙存在玻璃等特殊介质,且扫描仪测距范围、激光穿透性有限,系统可能无法获取其完整点云数据。参考实景影像信息,根据不同角度实景影像双点位量测[15]获取空洞区域三维信息并载入点云数据中[16],从而完成基于实景影像的缺失点云处理工作。

建筑物立面上门窗等要素在设计时一般具有规律性,常常出现重复、对称现象。重复是建筑物部分结构在空间中的反复出现,如图4(a)所示;对称则是建筑物沿中间轴的左右全等,如图4(b)所示。若某建筑物的楼层或门窗存在上述现象,且部分结构出现缺失,可根据分布规则在原有点云的基础上复制、镜像,补充空洞区域信息,完成基于分布规则的缺失点云处理工作。

图4 建筑物立面常见分布规则

大量点云缺失则要采用地基激光扫描仪对空洞区域进行补测。先后在待测建筑物的多个方位设置地面站,通过点云拼接方法将采集的点云数据转换到车载移动测量系统所在坐标系下,完成基于地基激光扫描仪的缺失点云处理工作。点云拼接分为粗拼接和精拼接两个过程,粗拼接为精拼接提供良好的初始值,精拼接则进一步优化旋转平移参数,使拼接误差降到最低。

3.3 立面图绘制

立面图绘制前,要将处理后的点云数据分割成若干个相互独立的点云块,以实现对单个点云块的编辑和操作,达到提高计算机的运行效率、方便数据管理的目的。

由于每个点云间存在空隙,前后视图和左右视图中的点云可能会发生重叠,造成视觉混乱,因此立面图绘制的首要任务是提取剖面点云数据,排除其他视图中点云的干扰;随后在绘图软件中基于剖面点云数据进行矢量化描绘。为了保证绘制的精确性,可通过三维量测获取立面上广告牌、门窗等要素相对于基准墙面的关系,提供空间位置信息参考。

4 工程实例

在某立面整治改造工程中,采用青岛秀山移动测量公司VSurs-E型移动测量系统进行建筑物外立面扫描测绘。激光扫描仪获取目标三维几何信息,测距范围为0.3～119 m,精度达到0.001 m,视场角范围为360°,测角分辨率达到0.008 8°;全景相机获取目标纹理特征,单镜头分辨率为2 048 Pixel×2 448 Pixel,六镜头拼接后分辨率为4 000 Pixel×8 000 Pixel。

采集数据前,需要进行现场踏勘、拟定采集计划等准备工作。收集相关资料,对待测建筑物立面进行拍照、编号,记录测区内建筑物分布和道路的状况、道路走向等信息;规划行车路线,确保数据采集过程中避开车流量大、路况差、易造成GNSS失锁的区域;设计基准站设置方案,由于车载移动测量系统采取GNSS差分定位,基准站的布设会影响采集成果,因此相邻两站的间距一般在5 km左右。

观测人员通过车载传感器监控程序控制整个系统,进行输出电流强度、激光扫描仪转速的设置,当姿态角残差达到规定值后开始作业,获取扫描仪数据、组合导航数据、同步数据、全景相机数据、基站数据等数据成果。局部空洞区域采用IMAGER 5010C0三维激光扫描仪辅助补测。数据采集完成后,利用VSursProcess软件对获取的数据进行组合导航解算、数据融合、坐标转换处理。随后在VSursMap软件中提取剖面点云数据并导入AutoCAD中,在正射投影方向进行最终的编辑与出图。为了保证成果图与实际建筑物的一致性,需要开启正交模式或使用辅助线绘图,避免点云不规则边缘的干扰。图5为某建筑物的三维点云,图6为在图5的基础上使用AutoCAD进一步绘制出的外立面总图。

图5 某建筑物三维点云

图6 某建筑物外立面总图

观测前在测区内部分区域布置多个靶标,靶标信息可以被车载移动测量系统采集到点云数据中。再利用全站仪量测各靶标中心坐标并与点云数据提取出的靶标中心坐标对比,验证该方法的测图精度,如表1所示。

表1 精度统计分析表 单位：m

经计算,X方向中误差为0.019 m,Y方向中误差为0.014 m,Z方向中误差为0.014 m,均在限差范围内,证明基于车载移动测量系统的立面测量满足精度要求。

5 结束语

本文在介绍车载移动测量系统构成、工作原理的基础上,结合其灵活、自动化、高精度的技术优势,设计从数据采集到立面图绘制的技术方案,通过工程实例验证了该方法在立面测量中的可行性和精准性,为建筑物立面测绘提供一定的参考。但是在点云拼接及滤波、立面点云正射投影、缺失点云补测方式等方面还需要进一步研究。