航空倾斜摄影和三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用

孟庆年，张洪德，门茂林，胡玉祥，孙晓丽

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266032；3.山东省海岸带调查监测工程技术协同创新中心，山东 青岛 266032)

1 概 述

古建筑的广泛定义是指新中国成立前的建筑物，其中也包括民国时期的建筑物[1]。随着人们对于古建筑所特有的科学、文化以及人文价值的认可和重视，越来越多的古建筑开始得到保护和修缮[2]。在对古建筑进行保护和修缮前，需要获取古建筑的建筑图纸等信息。而对于许多古建筑，没有建筑图纸或建筑图纸早已丢失。因此，在进行修缮前需要进行详细测绘，从而获取古建筑的详细信息。

目前，常用的测量方法主要有全站仪法、尺量法等，这些方法虽能够进行测量，但是对于面积较大、结构复杂的建筑物，测量效率低、获取信息量有限，不能够很好地满足设计的需要。针对这些问题，使用三维激光扫描仪进行数据采集，三维激光扫描仪可以在短时间内获取大量的点云数据。但是对于屋顶等盲区，则无法进行测量。为了能够获取更加全面的数据，使用一种航空倾斜摄影与三维激光扫描技术相结合的方法来进行数据获取，航空倾斜摄影可以在较短的时间内获得大面积的建筑物外部信息。综合两种方法的优势，将点云进行融合，可以快速获取更加全面的点云数据。根据对实际案例的应用，以三维激光扫描点云作为目标点云，融合航空倾斜点云的顶部部分，融合后的点云数据很好地满足了相关的设计需求。

2 三维激光扫描方法

三维激光扫描技术又被称为“实景复制技术”，是测绘领域继GNSS之后的又一飞跃性革命，相比于传统测量方法，具有非接触、扫描速度快、获取信息量大、实时性强以及自动化程度高等特点[4～6]。

(1)三维激光扫描仪外业流程

相比于全站仪等方法，三维激光扫描仪方法的外业操作更加简便。在扫描作业前需要对扫描区域的实际情况进行踏勘，规划合理的扫描路径。三维激光扫描仪可以在短时间内获得大量的点云数据，但这些数据都是相对坐标，为了获取绝对坐标，还需要在现场布设有绝对坐标的标靶。具体流程如图1所示：

图1 三维激光扫描仪外业扫描流程

在进行建筑物扫描，并且需要绝对坐标时，为保证测量的精度，应在建筑物的四个或更多房角处布设带绝对坐标的标靶。在对楼梯或相似度较高区域进行扫描时，应放置公共标靶，为后续内业提供参考。

(2)点云数据预处理

对外业获得的点云数据进行数据预处理，包括配准拼接、坐标转换、噪声去除、以及数据精简等操作。

①配准拼接。当现场参考特征较多时，可以直接采用目视配准的方法进行配准拼接。当现场参考特征较少、场景相似度较高时，宜采用以布设的公共标靶为参考进行拼接。

②坐标转换。对获得的点云数据的特征标靶的相对坐标进行提取，计算与绝对坐标之间的转换参数，对扫描点云进行坐标转换。

③噪声去除。在使用三维激光扫描仪进行外业扫描时，不仅仅只扫描建筑物，还包括树木、车辆等其他目标，这些目标可能会对绘图等造成影响。因此，需要对建筑物点云数据进行提取，去除其他无用部分。

3 航空倾斜摄影方法

采用直升机搭载AMC5150倾斜航摄仪完成对摄区的倾斜航空摄影，AMC5150系统由5台大幅面PHASE ONE IXM-RS150F航空照相机组成，集成了Applanix POS AP20(IMU/GPS惯性导航系统)，并使用FANS(Flexible Airborne Navigation System)作为飞行管理系统，具体技术参数如表1所示。通过对采集的数据进行影响匹配、空三加密、点云数据导出等操作后[7，8]，可以得到航空倾斜摄影点云数据(如图2所示)。具体流程如下：

AMC5150倾斜航摄仪技术参数表 表1

图2 航空倾斜摄影点云数据

(1)利用倾斜航摄仪按规划路线获取测区的倾斜影像；

(2)利用航摄资料，采用RTK测量方法和基于POS系统的区域网空三方案，布设外业像片控制点；

(3)进行空三解算，计算垂直摄影和倾斜摄影像片的外方位元素；

(4)导出点云数据。

4 点云数据融合

通过三维激光扫描仪可以快速地获取建筑物的内外部点云数据，但是对于建筑物屋顶等盲区则无法进行测量。通过航空倾斜摄影可以在较短的时间内获得大面积的建筑物外部信息，但是接近地面的区域存在变形较大的情况(如图3所示)。综合两种方法优势，将两种方法获取的点云进行融合，可以快速获取全面的点云数据。

图3 航空倾斜摄影点云变形区域

将通过坐标转换得到的点云数据与经过空三解算后得到的倾斜摄影点云数据进行融合，理论上同坐标系下的两种点云数据会无缝地拼接在一起。但由于两种数据的测量精度不同，因此无法较好地直接拼接在一起，这就需要进行进一步的融合。与倾斜摄影点云数据相比，三维激光扫描点云的绝对精度更高，因此以三维激光扫描点云作为目标点云，对倾斜摄影点云进行坐标转换。选择两种点云数据上的至少三个公共点，根据式(1)计算转换参数，将倾斜摄影点云转换至三维激光扫描点云上。

(1)

式中，θ、φ、φ—X轴、Y轴、Z轴所对应的旋转角；

△X、△Y、△Z—为位移参数。

5 案例分析

青岛城区内有许多里院建筑，是青岛特有的传统民居，具有较高的保存利用价值。经多年的使用，已经破败不堪，为了能够更好地保护有历史价值的建筑物，需要进行修缮。但是由于年代久远，建筑物的图纸已经丢失，为了能够更好地满足修缮需求，使用一种航空倾斜摄影与三维激光扫描技术相结合的方法来进行测量。

图4 航空倾斜摄影点云数据

采用直升机搭载AMC5150倾斜航摄仪完成对本摄区的倾斜航空摄影，相对航高 319 m，保证航向重叠度大于80%，旁向重叠度大于75%。经过数据处理后，得到倾斜摄影点云数据。由于倾斜摄影点云靠近地面部分存在变形较大的情况，因此仅截取屋顶以及二层数据进行使用(如图4所示)。使用全站仪对部分尺寸进行检核(如表2所示)，根据对比分析结果，倾斜摄影点云数据相对精度较好，满足绘图要求。

全站仪与倾斜摄影所测建筑物尺寸对比分析表 表2

使用三维激光扫描仪对建筑物内外进行扫描，共观测76站，对扫描数据进行预处理后得到最终的点云数据(如图5所示)。使用全站仪对部分坐标进行检核(如表3所示)，全站仪所测结果与三维激光扫描仪所测结果基本一致，但是三维激光扫描仪的测量效率更高，所测数据量更加全面。

图5 三维激光扫描点云数据

全站仪与三维激光扫描仪所测建筑物角点坐标对比分析表 表3

在两片点云数据上选择公共点4个，以三维激光扫描点云作为目标点云，对倾斜摄影点云数据进行坐标旋转，合并后得到融合点云(如图6所示)。

图6 航空倾斜摄影点云和三维激光扫描点云融合数据

对点云数据做切片，绘制得到立面图以及剖面图(如图7所示)，共绘制分层平面图3份、立面图3份、剖面图6份，很好地满足了相关的设计工作。

6 结 论

古建筑是劳动人民的伟大创造，是人类文明和智慧的实体化。随着时间的流逝，许多古建筑开始出现破败迹象，急需保护和修缮。而对古建筑物进行保护和修缮的重要前提，是对古建筑图纸等基础测绘资料的获取。常规的测量方法效率低下，并且获取数据量有限，不能很好地满足相关设计的使用需求。三维激光扫描仪方法和航空倾斜摄影方法各有优劣，三维激光扫描仪方法能够快速准确地对建筑物内外(除屋顶等盲区)进行测量，航空倾斜摄影方法能够快速对屋顶点云数据进行采集，综合两种方法可以快速获取更加准确、全面的点云数据。根据对实际案例的应用分析，航空倾斜摄影获取的建筑物顶部点云数据相对精度较好，三维激光扫描技术获取的数据绝对精度较好，通过将两种点云进行融合，得到的点云数据能够很好地满足设计的使用需求，保障了修缮的顺利进行。

图7 融合点云数据绘制图形