基于車載移動測量系統的立面測量方法

劉冠杰 周茂倫 李國玉

(1. 山東科技大學 測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590; 2. 青島秀山移動測量有限公司, 山東 青島 266590)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進,部分老舊建筑物在形象、安全性等方面已無法滿足現代建設的需求,對其的治理規劃顯得愈發重要。立面測量可將建筑物各部位的位置關系、尺寸等反映在立面圖上,為整治改造工程的設計及結算提供依據。傳統手段通過全站儀、測距儀等輔助設備獲取立面信息,不僅內外業工作量大,且效率、精度相對較低[1-3]。近年來部分測繪新技術逐步應用于立面測量中[4],一定程度上改進了作業的自動化程度,但仍存在一些不足:傾斜攝影技術[5]的精度以及三維激光掃描技術[6]的速度、靈活性無法達到工程建設的要求。

如何取長補短,使數據獲取的方式更加高效便捷,成為立面測量工作亟須解決的問題。車載移動測量系統在城鄉規劃、道路測量等領域得到了廣泛的應用[7],系統兼具測角、測距、定位、攝影功能[8],可從地面快速精準的采集測區內空間屬性數據和實景影像信息[9],車輛作為多種傳感器的搭載平臺,保證了系統機動性和作業可持續性[10]。本文基于車載移動測量系統采集立面數據,彌補了其他方式的缺陷,為立面測量提供新的技術手段。

1 立面測量流程

基于車載移動測量系統的立面測量主要分為前期準備階段、數據采集與處理階段以及成果制作與檢核階段。首先在收集資料和現場踏勘的基礎上制定出詳細的外業工作方案;隨后系統采集測區內建筑物信息,經內業處理得到工程需要的點云數據;最后以點云數據為參考繪制出立面圖,并對不符合要求的區域進行補測,完善成圖。總技術流程如圖1所示。

圖1 立面測量技術流程圖

2 數據獲取

2.1 車載移動測量系統

車載移動測量系統是一套由多傳感器集成的數字化系統[11],主要包括數據存儲系統、同步控制系統、數據采集系統以及測量設備載體,系統構成如圖2所示。

圖2 車載移動測量系統構成

慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)、全景相機、激光掃描儀等設備安裝固定在測量設備載體上,同步控制系統通過GPS時間控制各設備單元。在載體運動過程中,激光掃描儀和全景相機快速掃描道路及沿線地物,獲取其三維坐標、強度信息、紋理特征信息,并通過串口將采集的掃描數據傳輸到數據存儲系統中;同時利用IMU、GNSS進行組合導航,獲取系統的姿態信息和位置信息;將組合導航數據與掃描數據融合,生成帶有絕對坐標的三維彩色點云數據[12];再依靠專業軟件處理點云數據并繪制出立面圖[13],即可完成立面測量工作。

2.2 外業數據采集

首先在已知控制點架設GPS基準站,選擇空曠區域對系統進行組合導航對準工作,包括靜止狀態下地對準和機動狀態下地對準兩部分。對準成功后,沿規劃路線掃描采集數據,采集過程中要盡量避免逆光,因循GPS信號較強的路線開展掃描工作;適當控制采集速度,保證影像及激光點云密度。采集結束時仍要在空曠區域進行組合導航對準,前后兩次對準的目的是確定車載移動測量系統初始和終止位置,提高數據解算質量[14]。隨后關閉儀器,完成外業采集并得到原始數據。

3 數據處理

3.1 點云數據處理

車載移動測量系統采集的原始數據經處理后才能被其他應用使用。首先基于單基站緊組合卡爾曼濾波算法處理GPS基準站數據、組合導航數據,解算出詳細軌跡;然后將軌跡信息與激光掃描儀、全景相機獲取的掃描數據融合,得到包含紋理信息的真彩點云數據;最后再經過坐標轉換得到工程需要的點云數據。

3.2 缺失點云處理

在車載移動測量系統獲取的點云數據中,部分建筑物會產生空洞,如圖3所示。造成這種現象的原因有兩種,一種是采集數據時車速過快,點云密度無法達到要求,不能正確描述復雜建筑物表面特征產生的少量點云缺失;另一種是受到環境、地形等因素影響,掃描區域處于視野盲區造成的大量點云缺失。

圖3 空洞現象示意圖

少量點云缺失可根據實景影像和分布規則對空洞區域進行補充。由于部分建筑物過高或建筑外墻存在玻璃等特殊介質,且掃描儀測距范圍、激光穿透性有限,系統可能無法獲取其完整點云數據。參考實景影像信息,根據不同角度實景影像雙點位量測[15]獲取空洞區域三維信息并載入點云數據中[16],從而完成基于實景影像的缺失點云處理工作。

建筑物立面上門窗等要素在設計時一般具有規律性,常常出現重復、對稱現象。重復是建筑物部分結構在空間中的反復出現,如圖4(a)所示;對稱則是建筑物沿中間軸的左右全等,如圖4(b)所示。若某建筑物的樓層或門窗存在上述現象,且部分結構出現缺失,可根據分布規則在原有點云的基礎上復制、鏡像,補充空洞區域信息,完成基于分布規則的缺失點云處理工作。

圖4 建筑物立面常見分布規則

大量點云缺失則要采用地基激光掃描儀對空洞區域進行補測。先后在待測建筑物的多個方位設置地面站,通過點云拼接方法將采集的點云數據轉換到車載移動測量系統所在坐標系下,完成基于地基激光掃描儀的缺失點云處理工作。點云拼接分為粗拼接和精拼接兩個過程,粗拼接為精拼接提供良好的初始值,精拼接則進一步優化旋轉平移參數,使拼接誤差降到最低。

3.3 立面圖繪制

立面圖繪制前,要將處理后的點云數據分割成若干個相互獨立的點云塊,以實現對單個點云塊的編輯和操作,達到提高計算機的運行效率、方便數據管理的目的。

由于每個點云間存在空隙,前后視圖和左右視圖中的點云可能會發生重疊,造成視覺混亂,因此立面圖繪制的首要任務是提取剖面點云數據,排除其他視圖中點云的干擾;隨后在繪圖軟件中基于剖面點云數據進行矢量化描繪。為了保證繪制的精確性,可通過三維量測獲取立面上廣告牌、門窗等要素相對于基準墻面的關系,提供空間位置信息參考。

4 工程實例

在某立面整治改造工程中,采用青島秀山移動測量公司VSurs-E型移動測量系統進行建筑物外立面掃描測繪。激光掃描儀獲取目標三維幾何信息,測距范圍為0.3～119 m,精度達到0.001 m,視場角范圍為360°,測角分辨率達到0.008 8°;全景相機獲取目標紋理特征,單鏡頭分辨率為2 048 Pixel×2 448 Pixel,六鏡頭拼接后分辨率為4 000 Pixel×8 000 Pixel。

采集數據前,需要進行現場踏勘、擬定采集計劃等準備工作。收集相關資料,對待測建筑物立面進行拍照、編號,記錄測區內建筑物分布和道路的狀況、道路走向等信息;規劃行車路線,確保數據采集過程中避開車流量大、路況差、易造成GNSS失鎖的區域;設計基準站設置方案,由于車載移動測量系統采取GNSS差分定位,基準站的布設會影響采集成果,因此相鄰兩站的間距一般在5 km左右。

觀測人員通過車載傳感器監控程序控制整個系統,進行輸出電流強度、激光掃描儀轉速的設置,當姿態角殘差達到規定值后開始作業,獲取掃描儀數據、組合導航數據、同步數據、全景相機數據、基站數據等數據成果。局部空洞區域采用IMAGER 5010C0三維激光掃描儀輔助補測。數據采集完成后,利用VSursProcess軟件對獲取的數據進行組合導航解算、數據融合、坐標轉換處理。隨后在VSursMap軟件中提取剖面點云數據并導入AutoCAD中,在正射投影方向進行最終的編輯與出圖。為了保證成果圖與實際建筑物的一致性,需要開啟正交模式或使用輔助線繪圖,避免點云不規則邊緣的干擾。圖5為某建筑物的三維點云,圖6為在圖5的基礎上使用AutoCAD進一步繪制出的外立面總圖。

圖5 某建筑物三維點云

圖6 某建筑物外立面總圖

觀測前在測區內部分區域布置多個靶標,靶標信息可以被車載移動測量系統采集到點云數據中。再利用全站儀量測各靶標中心坐標并與點云數據提取出的靶標中心坐標對比,驗證該方法的測圖精度,如表1所示。

表1 精度統計分析表 單位：m

經計算,X方向中誤差為0.019 m,Y方向中誤差為0.014 m,Z方向中誤差為0.014 m,均在限差范圍內,證明基于車載移動測量系統的立面測量滿足精度要求。

5 結束語

本文在介紹車載移動測量系統構成、工作原理的基礎上,結合其靈活、自動化、高精度的技術優勢,設計從數據采集到立面圖繪制的技術方案,通過工程實例驗證了該方法在立面測量中的可行性和精準性,為建筑物立面測繪提供一定的參考。但是在點云拼接及濾波、立面點云正射投影、缺失點云補測方式等方面還需要進一步研究。