羅德安，邱冬煒，廖麗瓊

北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044

1 概述

既有建筑的修繕與結(jié)構(gòu)健康評估往往涉及到關(guān)鍵部位特征數(shù)據(jù)信息，三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式的測量方式，具有快速、精確、多方位、“所見即所得”的特點(diǎn)，為既有建筑的精確測繪提供了革命性的新途徑[1-2]。盡管三維激光掃描技術(shù)可以在極短時間內(nèi)獲取完整而精確的反映既有建筑全貌的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但要從點(diǎn)云中獲得修繕設(shè)計及結(jié)構(gòu)檢測所需要的特征信息（如特征點(diǎn)、線、面、長度、直徑、面積等）、特征圖形（如建筑立面圖、各種剖切投影圖等）[3-7]，仍然是一個極為耗時耗力的工作。

二維數(shù)字線劃圖目前仍然是建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域所習(xí)用的語言，在掃描點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，借助于后期繪圖軟件，可以繪制總平面圖、屋頂平面圖、立面圖、大樣圖及不同部位、不同方向的剖面圖等，這些成果可以使既有建筑現(xiàn)狀調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計、修繕施工、監(jiān)測等實(shí)現(xiàn)無縫對接。目前主要采用的二維線劃圖繪制方法包括：（1）對于局部構(gòu)件的繪制，通常直接在點(diǎn)云上量取繪圖所需要的長、寬、高數(shù)據(jù)后，借助繪圖軟件繪制二維線劃圖；（2）對于剖面圖等截割投影圖，一般會根據(jù)繪圖部位和繪制精度，從點(diǎn)云模型中截取一定厚度的點(diǎn)云“切片”，之后再將點(diǎn)云切片導(dǎo)入AUTOCAD等圖形繪制軟件作為底圖來繪制二維線劃圖。這種操作方式主要依賴于個人的主觀操作，在數(shù)據(jù)截取上具有一定的隨意性，有時候無法反映既有建筑的真實(shí)特征剖面；此外，由于需要人在三維數(shù)據(jù)環(huán)境下反復(fù)交互操作，工作量也極大。因此，研制基于點(diǎn)云的自動或半自動輔助線劃圖制作工具很有必要，它一方面可以克服因主觀截取數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，另一方面可以顯著提高線劃圖的制作效率，降低勞動強(qiáng)度，因而對既有建筑現(xiàn)狀的成果制作及三維激光掃描技術(shù)的深入應(yīng)用都將具有重要意義。

為改善目前三維激光掃描技術(shù)領(lǐng)域線劃圖成果制作全手工的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種快速獲取建筑特征剖面的算法，并研發(fā)了基于該算法的具有較高自動化水平的剖面圖制作軟件工具，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)數(shù)據(jù)切片、特征性斷面數(shù)據(jù)自動提取、特征線的擬合及輔助標(biāo)注等功能，該工具在面對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時，能夠顯著提高作業(yè)效率及提升成果制作質(zhì)量。

2 相關(guān)研究

三維激光掃描作為新興的自動化測量技術(shù)，能夠從遠(yuǎn)距離快速、精確地采集目標(biāo)表面的完整幾何形態(tài)，為既有建筑及構(gòu)筑物的幾何參數(shù)測量提供了全新的手段，然而如何從采集到的海量點(diǎn)云中高效率、高精度地提取包括斷面輪廓在內(nèi)的幾何形態(tài)信息，是目前亟待解決的技術(shù)問題[8]。

就已有文獻(xiàn)來看，針對隧道、公路等線性構(gòu)筑物的自動化數(shù)據(jù)處理（斷面自動獲?。┭芯枯^多，而針對房屋類建筑的研究相對較少。肖清華等利用擬合中軸線截取斷面，但該方法只限于圓形隧道，具有很大局限性[9]；托雷等提出了一種基于鄰域局部曲面擬合的隧道斷面截取方法[10]，該方法雖然以原始掃描點(diǎn)為輸入源，但仍然需要加載設(shè)定的中軸線，并且對于距離較長的隧道，無法保證其斷面輪廓的精度；胡琦佳設(shè)計了一種根據(jù)隧道特征參數(shù)自動繪制輪廓線的方法，但該方法必須以斷面參數(shù)為輸入源，不能獨(dú)立應(yīng)用于隧道工程[11]。概括來說，所有這些對隧道的斷面獲取，都需要準(zhǔn)確知道截取斷面的軸線，這些軸線可以是交互設(shè)置、自動擬合或是其他方式予以給定，只要已知斷面截取的軸線，斷面獲取是極為容易的[12-13]。和隧道相比，房屋建筑的斷面獲取具有更高的復(fù)雜度和難度。首先，既有房屋建筑的修繕與健康評估需要各種不同形式投影的平面圖（如平面圖、立面圖、關(guān)鍵位置的剖面圖等等），這和隧道的單一剖切斷面圖樣式存在較大差異；其次，對建筑設(shè)計和結(jié)構(gòu)體的健康評估，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如承重結(jié)構(gòu)）所在的剖面圖更為重要，一般的剖切位置獲得的斷面圖幾乎沒有意義，所以即使是基于同一剖切軸線獲得的斷面，也只有那些能反映關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分布及變化的斷面才需要保留下來。

盡管三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，具有極高的數(shù)據(jù)獲取效率，但在數(shù)據(jù)的后期處理上，特別是自動化數(shù)據(jù)處理上，還幾乎沒有太多進(jìn)步。目前主要 的 處 理 軟 件 如 Cyclone、Polyworks、FARO Sense、Trimble RealWorks Survey及Geomatic等軟件都提供從點(diǎn)云掃描、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、噪聲剔出、數(shù)據(jù)平滑、網(wǎng)格化、紋理映射及模型合成等一體化功能，個別軟件還提供一些特殊的測量功能集，但這些功能更多的是面向數(shù)據(jù)采集、結(jié)構(gòu)檢測及模型重建。對基于點(diǎn)云的線劃圖自動提取類功能，現(xiàn)有的軟件都未提供，但大部分軟件都提供交互數(shù)據(jù)切片功能，所以目前線劃圖通行的制作方法是將線劃圖制作涉及的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換為CAD所支持的格式，而后導(dǎo)入到CAD軟件作為制作線劃圖的底圖，再由繪圖人員借助該底圖交互完成線劃圖的繪制。這種制作方式過程復(fù)雜，人為干預(yù)因素較多，所以制作出的線劃圖質(zhì)量不高，其生產(chǎn)效率也較為低下，因此，研發(fā)具有一定自動化數(shù)據(jù)處理能力的線劃圖制作工具軟件是十分必要的。

3 算法框架

3.1 基本思想

數(shù)據(jù)切片是基于三維點(diǎn)云制作建筑剖面圖的基礎(chǔ)[14]，通過設(shè)定切片厚度、剖切位置及剖切方向可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)切片。通過建立相鄰切片的比較分析模型及根據(jù)比對結(jié)果實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)調(diào)整的自反饋機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)對特征性斷面數(shù)據(jù)的自動化截取，技術(shù)路線如圖1所示。獲得特征斷面的切片數(shù)據(jù)后，即可在相關(guān)軟件中實(shí)現(xiàn)線劃圖快速制作及其他相關(guān)應(yīng)用。

圖1 算法的技術(shù)流程

3.2 算法流程

（1）無關(guān)數(shù)據(jù)及粗差的剔除。掃描原始點(diǎn)云包含大量和關(guān)注主題（如建筑物）無關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)后續(xù)處理前需要予以剔除；由于各種因素（如遮擋、反射特性差異）的影響，粗差在掃描點(diǎn)云中廣泛存在，這些粗差也將對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理造成顯著影響，所以也需要事先將其剔除，這里將用到一些手工及半自動的數(shù)據(jù)處理方法。

（2）截取軸線設(shè)置。由于建筑物形態(tài)的多樣性，所以其基本軸線也各不相同，這與隧道斷面提取中軸線單一的特點(diǎn)有較大差異，建筑物斷面截取軸線要實(shí)現(xiàn)自動提取與設(shè)置存在較大難度，所以本文算法斷面截取軸線仍然需要交互設(shè)置。由于既有建筑在設(shè)計與建造時本身就擁有很多具有重要參考意義的軸線，所以既有建筑的斷面截取軸線不難找到。

（3）截取厚度設(shè)置。軸線確定后，還需設(shè)置斷面厚度，其初始值可以根據(jù)關(guān)鍵截面的大致厚度設(shè)置，也可以任意設(shè)置，后續(xù)算法可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整。斷面截取厚度同時也是斷面截取移動的步長。

（4）相鄰切片的相似度比較。比較的目的在發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵特征截面，這里采用基于投影影像的比較方法來實(shí)現(xiàn)差異發(fā)現(xiàn)。首先將切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿剖切軸線投影到某平面上，得到一張二維二值化圖像；接下來將相鄰的兩張二值圖像進(jìn)行簡單的疊加，像素相同的位置置1（白色），不同的地方置0（黑色）；接下來計算變化量（黑色像素）占總像素的百分比，它將是下一步關(guān)鍵切面選取的重要依據(jù)。

（5）關(guān)鍵特征截面篩選。根據(jù)相鄰截面比較獲取的差異率可以繪制出基于某斷面截取軸線的整個斷面變化圖，通過數(shù)字比較或圖形可以很容易地發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵特征截面，也即是差異率突變位置所在的截面。

（6）參數(shù)調(diào)整與斷面提煉。由于切片厚度不可能剛好是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)截面的厚度，截取位置不可能剛好涵蓋關(guān)鍵截面，所以關(guān)鍵截面可能包含在一個點(diǎn)云切片中，也可能是2個或多個切片中，即便是一個也還可能存在由于厚度過大導(dǎo)致無關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在。所以，在篩選出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)涉及的切片數(shù)據(jù)（1個或多個相鄰切片）后，合并成一個新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，調(diào)整切片截取步長繼續(xù)按照上述方法進(jìn)一步提煉，直到截取精度滿足要求為止，最后即可得到所需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)斷面的切片數(shù)據(jù)。這里的截取精度是指相鄰2次截取步長獲得的同一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)切片數(shù)據(jù)的相似度，當(dāng)相似度大于給定值（后續(xù)實(shí)例中取值為95%）就終止斷面提煉，以最后一個步長設(shè)置（也是最小的步長）獲取的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)切片數(shù)據(jù)作為最終的剖切數(shù)據(jù)。

可以發(fā)現(xiàn)，本算法在給定截取軸線后，幾乎可以全自動地獲取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)斷面的切片數(shù)據(jù)，為后續(xù)的特征斷面制作和結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取創(chuàng)造了條件。

4 算法實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)

天津港“8.12”特別重大火災(zāi)爆炸事故，發(fā)生在位于天津?yàn)I海新區(qū)塘沽開發(fā)區(qū)的天津東疆保稅港區(qū)瑞海國際物流有限公司所屬危險品倉庫。據(jù)中國地震臺網(wǎng)發(fā)布儀器記錄到的數(shù)據(jù)顯示，爆炸近震震級ML約2.9級，相當(dāng)于21 t TNT爆炸威力[15]。爆炸對周圍建筑物的安全使用造成了嚴(yán)重影響，根據(jù)國家相關(guān)安排，需對周圍一定范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物進(jìn)行全面健康評估及安全排查。由于涉及面廣，工期較短，外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要采用了三維激光掃描技術(shù)。按照合作單位建筑結(jié)構(gòu)檢測中心的要求，需要在極短的時間內(nèi)為其提供所有建構(gòu)筑物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征斷面等信息，供其進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)安全評估。鑒于上述原因，基于上述算法，研發(fā)了相關(guān)軟件工具，在工期內(nèi)很好地完成了相應(yīng)工作。

下面以天津泰達(dá)時尚健身休閑廣場5號館的掃描數(shù)據(jù)為例，詳細(xì)說明上述算法的實(shí)現(xiàn)過程：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理。5號館為鋼構(gòu)建筑，承重結(jié)構(gòu)為鋼構(gòu)梁，掃描點(diǎn)云整體頂視圖如圖2所示，圖中紅線為設(shè)計基線，可以看到所有鋼架梁都位于設(shè)計基線的法線上。

圖2 掃描點(diǎn)云頂視圖

如前所述，關(guān)注的重點(diǎn)是鋼構(gòu)的形變情況，所以其他結(jié)構(gòu)屬于無關(guān)信息，為了減小數(shù)據(jù)冗余及干擾，可以在相關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件（如Geomagic、Cyclone）中先行將無關(guān)數(shù)據(jù)剔除，如圖3紅線以下部分，該操作極易實(shí)現(xiàn)。

圖3 冗余與無關(guān)數(shù)據(jù)的剔除

（2）軸線設(shè)置及相關(guān)參數(shù)據(jù)設(shè)置。既有建筑的設(shè)計一般都會有自己的一些基準(zhǔn)線或面，而這些基準(zhǔn)線往往可以作為修繕設(shè)計及特征數(shù)據(jù)采集的參考線。這里選擇的是如圖2紅線所示的參考線作為剖切軸線，重點(diǎn)關(guān)注的鋼架梁剖面正好位于其法線上。其他2個參數(shù)（切片厚度及步長）實(shí)際上是1個，其初始值可以是任意大于0的數(shù)值，它只會影響迭代的次數(shù)，并不影響特征斷面獲取的質(zhì)量與精度。理論上看，當(dāng)初始值與鋼架梁的軸向?qū)挾认嘟鼤r，迭代次數(shù)應(yīng)該越少。

（3）相鄰切片的相似度比較。點(diǎn)云切片數(shù)據(jù)很容易獲取，獲得切片數(shù)據(jù)后將其投影成二值化圖像，如圖4、圖5分別是2個相鄰點(diǎn)云切片的投影圖像。獲得切片的二值化圖像后，再進(jìn)行求差獲取差值圖像（如圖6），同時計算其差異比率。對于剖切軸線上房屋存在高差變化的情形，一般是不同設(shè)計結(jié)構(gòu)體對接位置，顯然其差異率存在突變，其值會遠(yuǎn)大于無高差變化情形，可以從差異率變化圖輕易檢測出來，然后予以剔除。

圖4 切片投影二值化圖像1

圖5 切片投影二值化圖像2

圖6 相鄰點(diǎn)云切片的投影差值圖像

給定一個截取厚度（或步長）即可將整個樓的點(diǎn)云數(shù)據(jù)剖分成若干點(diǎn)云切片，也可以連續(xù)計算出相鄰切片的差異率，并繪制出如圖7所示的變化圖。

圖7 相鄰切片投影差異率變化圖（部分）

（4）特征斷面數(shù)據(jù)獲取。通過差異率變化數(shù)值或是圖都可以輕易找到特征斷面關(guān)聯(lián)的點(diǎn)云切片，對其進(jìn)行遞歸求精即可獲得所需的特征斷面數(shù)據(jù)，見圖8。

圖8 提取特征斷面數(shù)據(jù)（部分）

本文提出的算法和研發(fā)的軟件，在給定斷面截取軸線后，可以無干擾全自動提取出精確的特征斷面。為了評估算法及軟件效率，用軟件和人工分別對5號館、6號館及會展中心進(jìn)行了特征斷面獲取對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

對比分析發(fā)現(xiàn)，基于本文算法的軟件斷面獲取效率遠(yuǎn)超手工獲取方式，在獲取斷面的質(zhì)量上也明顯優(yōu)于手工作業(yè)方式。

表1 耗時對比分析

5 結(jié)語

針對從點(diǎn)云中獲取建筑物特征剖面數(shù)據(jù)存在的全手工、效率低及質(zhì)量不可控等技術(shù)問題，本文提出一套完整的解決方案（相關(guān)算法及軟件），較好地解決了相關(guān)的技術(shù)難題。實(shí)際應(yīng)用證明，在面對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時，能夠顯著提高作業(yè)效率及提升成果制作質(zhì)量。

需要指出的是，由于房屋建筑結(jié)構(gòu)的高復(fù)雜度，算法及相關(guān)軟件工具仍需要適度人工干預(yù)，需要給定斷面截取軸線，而無法做到像文獻(xiàn)[2-3]對隧道的處理一樣自動獲取截取軸線。

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