CN105627992A - 一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，利用大空间三维激光扫描仪获取古建筑表面轮廓的点云数据和全景影像，构建古建筑的立体模型，利用三维光栅扫描仪获取古建筑局部细节的精细点云数据，结合建筑工法和建筑模数修正古建筑表面轮廓和局部细节的尺寸和形状；利用高分辨率照相机采集古建筑残损部分或遮挡部分的数字信息，逆构其尺寸和形状；利用高分辨率照相机采集高空部分或遮挡部分的点、线、面特征，逆构其尺寸和形状；将所有测得的分块数据统一到同一坐标系中，拼接古建筑的全部数字点云信息，绘制古建筑复原图纸，构建古建筑三维立体数字模型，结合古建筑的涂覆材料、颜色及纹路复原古建筑三维鸟瞰图。

Description

一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法

技术领域

本发明涉及一种测绘古建筑的方法，特别是涉及一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法。

背景技术

古建筑是古代人们智慧的结晶和实践活动的产物，承载着丰富的历史、文化、艺术方面的信息，是研究其所处时期的重要实物材料。古建筑是宝贵的物质文化遗产，具有不可再生性，一旦遭到破坏，会造成重大损失。通过测绘完整、真实的古建筑的平面图、立面图、剖面图等电子文档，可为研究、修复、重建古建筑提供准确的科学依据。

传统建筑物测绘方法采用人工测量和人工绘图，其中测量工具包括皮卷尺、钢卷尺、软尺、卡尺、铅垂球、木梯等，其缺点在于测量和绘图均手工操作，在测绘精度和工作效率上都很低，且测量过程需直接接触待测部位，对待测部位可能造成破坏，也无法精确测绘多面几何形体。

现代建筑物的测绘方法主要有全站仪离散点测量法、摄影测量法、全站仪与摄影测量集成方法、三维激光扫描方法、三维光栅扫描方法等。专利CN101908228A公开了一种用于获得建筑立面测绘图的数字化建筑测绘方法，介绍了激光标线仪、摄影装置的使用方法以及如何利用建模软件使得建模场景与建筑部位匹配，主要实现外表面为单曲面几何形体、外表面为中心轴对称的双曲面几何形体的建筑部位的建筑立面测绘，但该方法形式单一、测绘对象单一，而且最终只能获得建筑物的立面测绘图，这不能满足对古建筑的全方位测绘需求；专利CN103196426A公开了一种全站仪联合三维激光扫描仪用于建筑测量的方法，介绍了全站仪和三维激光扫描仪的使用方法，解决了三维测绘速度慢、建模困难、以及多视点云数据粗配准困难的问题，但该方法对高层建筑的测量不实用，对遮挡部分、残损部分的处理也不进行考虑，同样不能满足对古建筑的全方位测绘需求；专利CN102735182A公开了一种利用手持测距器扫描建筑物内轮廓的方法和装置，该方法和装置主要解决的是测量建筑物内轮廓的测量问题，对建筑物的表面轮廓、局部细节、残损部分、遮挡部分的测绘均不适用

以上各测绘方法有其优势，但均不适用于对古建筑的测绘，没有综合考虑古建筑的表面轮廓、局部细节、残损部分或遮挡部分以及高空部分或遮挡部分的处理，且测绘精度也不能满足古建筑测绘的要求。

发明内容

本发明提供一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，解决现有测绘古建筑***或方法中存在的精度低的问题。

一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，包括以下步骤：

1)利用大空间三维激光扫描仪获取古建筑表面轮廓的点云数据和全景影像，构建古建筑的立体模型，结合建筑工法和建筑模数修正古建筑表面轮廓的尺寸和形状；

2)利用三维光栅扫描仪获取古建筑局部细节的精细点云数据，根据材料特征，结合古建筑工法及历史年代建筑特点修正古建筑局部细节的尺寸和形状；

3)利用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集古建筑残损部分或遮挡部分的数字信息，利用基于图像的三维测量技术和透视关系获得古建筑的关键尺寸和形状参数，运用所述关键尺寸和形状参数，以及规范和工法中古建筑各部位构件的造型线条特征，拟合出古建筑残损部分或遮挡部分的尺寸和形状；

4)将上述步骤测得的分块数据进行整理，并统一到同一坐标系中，拼接古建筑的全部数字点云信息；

5)根据步骤4)的全部数字点云信息和步骤3)的数字信息，获取整个古建筑的表面轮廓和局部细节的尺寸和形状信息，绘制古建筑复原图纸；

6)根据步骤5)整个古建筑的表面轮廓尺寸和形状信息构建古建筑三维立体数字模型，结合古建筑的涂覆材料、颜色及纹路复原古建筑三维鸟瞰图。

若古建筑的高空部分和遮挡部分由上述步骤1)～3)无法得到能达到精度要求的数据，则需在步骤4)之前需增加一步骤：利用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集高空部分或遮挡部分的点、线、面特征，结合步骤1)～3)确定的古建筑参考尺寸和形状进行分析和确定，通过三维透视逆向，逆构古建筑的高空部分和遮挡部分的尺寸和形状。

上述方案中，进行步骤1)前，沿着扫描路线(1)设置至少两组定位参考球组；每组定位参考求组中设有至少1个定位参考球小组，两组定位参考球组的各定位参考球小组交替设置于扫描路线(1)上；沿着扫描路线(1)设置至少两个测站；参考球小组分别设置在两个测站之间；每个参考球小组由至少3个定位参考球组成，各定位参考球不在同一直线上；每个定位参考球至少与2个测站通视；定位参考球在滤波后的各测站的点云数据拼接时作为控制点，用于提高拼接精度；步骤1)采用高斯滤波、均值滤波、中值滤波中的一种或一种以上的降噪滤波方法；步骤1)中的建模过程包括点阶段、多边形阶段和曲面阶段。

上述方案中，步骤2)对获取的点云数据进行滤波和拼接；

上述方案中，步骤3)所述高分辨率照相机大于或等于2000万像素；所述基于图像的三维测量技术是用双线性插值算法插值放大待测区域，利用均值滤波消除噪声，利用边界改进阈值算法分割古建筑局部各部分界面线，利用形态学滤波进行边缘处理，利用孔洞填充算法消除阈值算法中可能出现的孔洞，最后提取待测区域的尺寸和形状信息。

上述方案中，在步骤3)中，大于或等于2000万像素的高分辨率照相机使用前进行标定，采用50mm镜头，根据光线调整快门速度，根据所选区域的古建筑复杂程度决定标识板放置角度、拍照角度及拍照张数，便于测绘时的分析和计算。

上述方案中，在测绘高空部分或遮挡部分时，大于或等于2000万像素的高分辨率照相机使用前进行标定，采用150～500mm的变焦镜头，根据所选区域的古建筑复杂程度决定拍照角度和拍照张数，便于测绘时的分析和计算。

本发明的优点与效果是：本发明有效集成了三维激光扫描、三维光栅扫描、高分辨率相机结合建模软件测绘等现代测量手段，以非接触的方式实现古建筑表面轮廓、局部细节、残损部分或遮挡部分，以及高空部分或遮挡部分的精细数字化测绘，能有效、全面地获取古建筑三维空间数据，速度快且精度高，满足古建筑三维重建需求。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明应用时测站和定位参考球组的设置示意图。

图中标号为：1、扫描路线；2、第一定位参考球小组；3、第二定位参考球小组。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

图1给出了本发明的原理框图，一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，对古建筑表面轮廓、局部细节、残损部分或遮挡部分及高空部分或遮挡部分采取了不同的测绘方式。

对于古建筑的表面轮廓，利用大空间三维激光扫描仪进行扫描，获取其点云数据和全景影像，每一个点云数据都有一个相对的坐标，将获得的点云数据统一到同一个坐标系下后构建古建筑的立体模型，测绘出精度较高的表面轮廓尺寸，结合建筑工法和建筑模数修正古建筑表面轮廓的尺寸和形状，最终得到古建筑表面轮廓的尺寸和形状。大空间三维激光扫描仪的架设位置及高度为测站，在进行三维激光扫描前，先确定扫描路线1、各测站的位置、定位参考球组的数量和位置：沿着扫描路线1设定至少两组定位参考球组；每组定位参考求组中设有至少1个定位参考球小组，两组定位参考球组的各定位参考球小组交替设置于扫描路线1上；沿着扫描路线1设置至少两个测站；参考球小组分别设置在2个测站之间；每个参考球小组由至少3个定位参考球组成，各定位参考球不在同一直线上；每个定位参考球至少与2个测站通视。先确认测站，架设大空间三维激光扫描仪，再摆放各定位参考球。各定位参考球应尽可能多地与测站通视，至少与前后两个测站通视，定位参考球与越多的测站通视，各测站获得的点云数据的拼接精度就越高，另外，对其余与之通视的测站还能起到防护作用。

在图2中，第一测站与第二测站之间的定位参考球与第一测站、第二测站、第三测站通视，倘若第二测站扫描出错，则可舍弃第二测站获取的点云数据，运用第一测站和第三测站中同时出现的三个定位参考球，就可完成点云完整拼接。将大空间三维激光扫描仪架设在扫描路线1起点处，即第一测站处，对中、整平、调整高度；将第一定位参考球组的其中一个定位参考球小组置于第一测站和第二测站之间，即第一测站的前侧，各定位参考球距离第一测站均在10m范围内，距离超过10m，各定位参考球被识别的可能性变小；在大空间三维激光扫描仪选择配置文件、分辨率质量、彩色扫描、水平/垂直、选择传感器和颜色设置。“选择配置文件”是用户根据室内外及远近等实际情况进行选择，如选择“室外20m以内”；“分辨率质量”由用户根据古建筑的复杂程度进行设定，其高低影响扫描时长；“水平/垂直”可对水平和垂直的扫描范围进行设置，默认范围是水平方向0.0°-360.0°，垂直方向-60°-90°；开启“彩色扫描”，则扫描过程中进行拍照，否则为黑白扫描，在扫描过程中不进行拍照，拍照获取的图像信息为后续的图片匹配真实还原提供数据基础；“彩色扫描”的开启与关闭，以及“水平/垂直”的扫描范围影响扫描时长，“选择传感器”由用户根据需求选择相应传感器，不同的传感器，扫描的精度不同；开启“彩色扫描”后，“颜色设置”才有意义，在同一次扫描进程中，各个测站采用的应为同一组扫描参数。

本发明以桂林靖江王府承运门为例，进行扫描时所设置的参数分别为“室外20m以内”、开启“彩色扫描”，“水平/垂直设置”采用默认的水平0.0°-360.0°，垂直-60°-90°，“选择传感器”选用所有的传感器，开启“彩色扫描”，“颜色设置”为全选，“高级设置”为默认值。在各测站，扫描开始前手动旋转大空间三维激光扫描仪，确认没有任何两个定位参考球同时与激光发射口共线，且应避免起始激光束分割定位参考球；确认各定位参考球均有效扫描后方可进行下一测站的扫描。在第一测站进行扫描时，将第一定位参考球小组2沿扫描路线1置于第一测站的前侧，作为前视点；第一测站扫描结束后，进行第二测站的扫描，将大空间三维激光扫描仪移至第二测站，将第二定位参考球小组3沿扫描路线1置于第二测站的前侧，作为前视点，此时，第一定位参考球小组2作为第二测站的后视点；第二测站扫描结束后，将第一定位参考球小组2移至第三测站与第四测站之间，作为第三测站的前视点，此时第二定位参考球小组3作为第三测站的后视点；同理，第三测站扫描结束后，将第二定位参考球小组3移至第四测站与下一测站点之间，作为第四测站的前视点，此时第一定位参考球小组2作为第四测站的后视点，以此类推，直至进行最后一个测站的扫描；在最后一个测站扫描时，即第n测站(n≥2)，无需摆放定位参考球小组作为前视点，以前一测站的前视点作为本次扫描的后视点即可，如图2所示。

由于数据量庞大，必定存在一些差点和错误点，这些点统称为噪声，这些噪声点不但影响点云数据的整体质量，还会对后续点云拼接和模型构建的精度产生影响，所以必须进行滤波降噪，对于不同的噪声点应采取不同的降噪方法，主要的方法有：高斯滤波、均值滤波、中值滤波等，本发明采用其中的至少一种进行降噪滤波；对滤波后的各测站点的点云数据进行精确拼接时使用扫描过程中的定位参考球为参考点，以提高拼接精度。上述精确拼接方法为：在两个相邻测站获取的点云数据中，利用同时出现的三个相同控制点重合，完成相邻测站获取的点云数据的拼接，各个相邻的测站点获取的点云数据一一拼接，则获取了整个古建筑的点云拼接，每个控制点对应一个参考球。将现场采集到的全景影像与点云数据精确匹配，使点云数据不仅携带空间三维信息，同时还带有纹理信息；利用三维建模软件建模，用点云数据构成大量的空间三角面片，从而逼近地还原实体模型，再采用曲面片拟合的方法直接创建曲面模型，主要的建模过程分为：点阶段、多边形阶段和曲面阶段。此方法获得的古建筑表面轮廓尺寸精度相对较高，误差通常在±5mm之内，能满足古建筑表面轮廓尺寸的误差要求。

对于古建筑的局部细节，利用三维光栅扫描仪扫描三维激光扫描仪所不能达到精度要求的局部细节，如局部隐藏区、窗花、浮雕、配件等，获取其尺寸和形状的精细点云数据，根据这些局部细节的材料特征，采用三维透视逆向，结合建筑工法和各历史年代建筑特点修正古建筑局部细节的尺寸和形状。对古建筑局部细节进行扫描，分为三个步骤：标定三维光栅扫描仪；选择拼接方式。自动拼接适用于物体大小适中，表面纹理简单，且表面有较多平坦区域适合粘贴标志点的构件，使用自动拼接时，在待测构件处粘贴大小适中的标志点，根据扫描精度需求可选用三种不同尺寸的标志点，内径分别为6mm、3mm和1.5mm,标志点是点云拼接的参照；对尺寸极小、细节复杂的构件采用手动拼接时，无需粘贴标志点，使同时出现在2组扫描点云数据中的三个标志点重合即可。在待测构件表面粘贴标志点的原则：随机分散，不可共线。根据待扫描构件或局部细节的大小划分待扫描区域，对于分块扫描的精细点云数据也需要进行滤波和拼接以得到完整的局部三维点云数据，从而得到建筑细部或配件的详细三维数字模型，并能完成与三维激光扫描的点云数据的无缝融合。可根据完整的局部三维点云数据，通过3D打印机或数字雕刻制作出与原物高度吻合的建筑局部细节部分。利用三维光栅扫描仪测得的古建筑局部细节的尺寸相对独立、完整、测量精度误差通常在±0.03mm～0.1mm，能够满足建筑细部或配件测量精度要求。

对于古建筑残损部分或遮挡部分，采用高分辨率近景摄影测量方法。通过图像处理技术分割出各具风格的局部特征，采用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集其数字信息，利用基于图像的三维测量技术和透视关系智能地获得其关键尺寸和形状参数，运用上述关键尺寸和形状参数，以及规范和工法中古建筑各部位构件的造型线条特征，拟合出古建筑残损部分或遮挡部分的尺寸和形状。智能修补点、线、面，把点拟合成线，把线拟合成面，对于一些标准曲面，如截面为标准曲线的曲面，直接由特征点拟合成面。

使用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机拍照前需对其进行标定，使用焦距50mm的镜头进行拍照，根据光线情况调整快门速度，必要时可以使用人工辅助照明，但尽量避免较大阴影面，以得到清晰、轮廓明显的照片。拍照时要根据所选区域古建筑的复杂程度决定是否放置标识板及拍照的角度和拍照张数，便于后续测绘的分析和计算，获取该部分古建筑尺寸和形状。基于图像的三维测量技术，首先对采集的高分辨率图像中需要处理的区域进行截取并进行灰度化处理，再用双线性插值算法插值放大截取的区域，使用均值滤波消除噪声，再利用边界改进阈值算法分割出古建筑局部各部分界面线，运用形态学滤波进行边缘处理，运用孔洞填充算法，消除阈值算法中可能出现的孔洞，最后提取古建筑残损部分或遮挡部分的尺寸和形状信息。该步骤得到的古建筑残损部分或遮挡部分的尺寸和形状与古建筑表面轮廓及局部细节的三维点云数据进行拼接，可以得到古建筑的完整尺寸和形状。本方法修复精度误差通常在±0.01mm～1mm，满足古建筑测量精度要求。

对于上述步骤无法得到符合精度要求的尺寸和形状信息的高空部分或遮挡部分，采用摄影测量***进行测绘。首先通过图像处理技术分割出各具风格的局部特征，使用摄影测量***进行拍照和逆向，即利用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集其点、线、面特征，结合古建筑表面轮廓、局部细节、残损部分或遮挡部分确定的古建筑参考尺寸和形状进行分析和确定，通过三维透视逆向，逆构古建筑的高空部分或遮挡部分的尺寸和形状。进行拍照前需对高分辨率照相机进行标定，使用焦距150～500mm的变焦镜头进行拍照，高分辨率照相机首先固定于稳固的三脚架上，在自然光线较好的时段进行拍照，根据光线情况调整快门速度，但尽量避免较大阴影面，以得到清晰、轮廓明显的照片，拍照时要根据所选区域古建筑复杂程度决定拍照的角度和拍照张数，通常要与拍摄的物体有一定角度，形成透视关系，便于后续测绘的分析和计算，获得该部分古建筑尺寸和形状。此步骤得到古建筑高空部分或遮挡部分的点、线、面轮廓界线的修复精度误差通常在±0.01mm～1mm，满足建筑测量精度要求。

将古建筑表面轮廓、局部细节、残损部分或遮挡部分及高空部分或遮挡部分这些分块数据进行整理，并统一到同一坐标系中，拼接古建筑的全部数字点云信息。

利用上述全部数字点云信息，获取整个古建筑的表面轮廓和局部细节的尺寸和形状信息，并结合残损部分或遮挡部分、高空部分或遮挡部分的数字信息，按照古建筑绘图规则和精度，对古建筑的特征点进行精确的选取，描绘出特征线，从而得到相应的平面图、立面图、剖面图等二维视图。

根据整个古建筑的表面轮廓尺寸和形状信息，构建古建筑三维立体数字模型，结合古建筑的涂覆材料、颜色及纹路复原古建筑三维鸟瞰图。其中，古建筑表面轮廓和局部细节的涂覆材料、颜色和纹路信息可直接获取，古建筑残损部分或遮挡部分、及高空部分或遮挡部分的涂覆材料、颜色和纹路信息可通过高清照片获取。根据构建的古建筑三维立体数字模型，可以通过3D打印机打印出高精度的古建筑模型和古建筑局部细节模型。

Claims (7)

1.一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，包括以下步骤，其特征在于：

1)利用大空间三维激光扫描仪获取古建筑表面轮廓的点云数据和全景影像，构建古建筑的立体模型，结合建筑工法和建筑模数修正古建筑表面轮廓的尺寸和形状；

2)利用三维光栅扫描仪获取古建筑局部细节的精细点云数据，根据材料特征，结合古建筑工法及历史年代建筑特点修正古建筑局部细节的尺寸和形状；

3)利用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集古建筑残损部分或遮挡部分的数字信息，利用基于图像的三维测量技术和透视关系获得古建筑的关键尺寸和形状参数，运用所述关键尺寸和形状参数，以及规范和工法中古建筑各部位构件的造型线条特征，拟合出古建筑残损部分或遮挡部分的尺寸和形状；

4)将上述步骤测得的分块数据进行整理，并统一到同一坐标系中，拼接古建筑的全部数字点云信息；

5)根据步骤4)的全部数字点云信息和步骤3)的数字信息，获取整个古建筑的表面轮廓和局部细节的尺寸和形状信息，绘制古建筑复原图纸；

6)根据步骤5)整个古建筑的表面轮廓尺寸和形状信息构建古建筑三维立体数字模型，结合古建筑的涂覆材料、颜色及纹路复原古建筑三维鸟瞰图。

2.根据权利要求1所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，若古建筑的高空部分和遮挡部分由上述步骤1)～3)无法得到能达到精度要求的数据，则需在步骤4)之前需增加一步骤，其特征在于：利用大于或等于2000万像素的高分辨率照相机采集高空部分或遮挡部分的点、线、面特征，结合步骤1)～3)确定的古建筑参考尺寸和形状进行分析和确定，通过三维透视逆向，逆构古建筑的高空部分和遮挡部分的尺寸和形状。

3.根据权利要求1所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，其特征在于：进行步骤1)前，沿着扫描路线(1)设置至少两组定位参考球组；每组定位参考求组中设有至少1个定位参考球小组，两组定位参考球组的各定位参考球小组交替设置于扫描路线(1)上；沿着扫描路线(1)设置至少两个测站；参考球小组分别设置在两个测站之间；每个参考球小组由至少3个定位参考球组成，各定位参考球不在同一直线上；每个定位参考球至少与2个测站通视；定位参考球在滤波后的各测站的点云数据拼接时作为控制点，用于提高拼接精度；步骤1)采用高斯滤波、均值滤波、中值滤波中的一种或一种以上的降噪滤波方法；步骤1)中的建模过程包括点阶段、多边形阶段和曲面阶段。

4.根据权利要求1所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，其特征在于：步骤2)对获取的点云数据进行滤波和拼接。

5.根据权利要求1所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，其特征在于：步骤3)所述高分辨率照相机大于或等于2000万像素；所述基于图像的三维测量技术是用双线性插值算法插值放大待测区域，利用均值滤波消除噪声，利用边界改进阈值算法分割古建筑局部各部分界面线，利用形态学滤波进行边缘处理，利用孔洞填充算法消除阈值算法中可能出现的孔洞，最后提取待测区域的尺寸和形状信息。

6.根据权利要求1所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，其特征在于：在步骤3)中，大于或等于2000万像素的高分辨率照相机使用前进行标定，采用50mm镜头，根据光线调整快门速度，根据所选区域的古建筑复杂程度决定标识板放置角度、拍照角度及拍照张数，便于测绘时的分析和计算。

7.根据权利要求2所述的一种快速高精度非接触测绘古建筑的方法，其特征在于：在测绘高空部分或遮挡部分时，大于或等于2000万像素的高分辨率照相机使用前进行标定，采用150～500mm的变焦镜头，根据所选区域的古建筑复杂程度决定拍照角度和拍照张数，便于测绘时的分析和计算。