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目前,历史建筑物保护手段主要有手工量测、全站仪测量、无人机倾斜摄影、3维激光扫描仪等方法。传统手工测量和全站仪测量精度不高,不易通视,效率低,费时费力,无法准确确定建筑结构[6]。历史建筑具有高度不均、结构复杂和多重功能的特点,采用无人机倾斜摄影只能获取建筑上方结构和建筑外立面的纹理信息,无法获得建筑物内部结构[7]。3维激光扫描可以对建筑物内部和外部都能扫描到[8]。3维激光扫描测量技术是一种非常先进的测量手段,它能够快速、准确地测量建筑物的位置和形状,并能够应对各种复杂的环境[9]。通过3维激光扫描获取点云和全景图像,对点云和图像处理后可以获得具有地理坐标的拼接点云数据、平面图、立面图和剖面图,达到“多测合一”的目的[10]。由于单种方法都存在着一定的问题,于是有学者将摄影测量与3维激光扫描结合,即空地一体[11-12],但这种方法在禁飞区却难以进行数据采集。
传统的设站式3维激光扫描技术在实际运用过程中遇到了诸多问题,比如它只能在一定范围内进行点云扫描,转点处通过设置标靶以便进行后期的点云拼接,在复杂建筑物周围的环境中难以实现准确定位,也会存在很多干扰因素,从而对测量精度产生影响,也易受到噪声和错误坐标的影响[13],虽然其精度高,但是效率偏低,灵活度不足。1988年,CHEESEMAN等人首次将即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)引入美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)机器人与自动化会议,这一前所未有的技术,不仅改变了当前的同步定位和地图构建方式,而且还极大地促进了该领域的发展,其成果不仅仅体现在CHEESEMAN的研究中,同时还得到了广泛的应用,对于该领域的发展起到了至关重要的作用[14-15]。通过使用先进的传感技术,可以实现对物体的精确定位,并通过数据采集、分析、处理等多个步骤,将所获取的数据转换为具有可视化特征的高精度地图,从而为用户提供更加准确的地理服务。与以往的测量手段相比较,SLAM摆脱了对全球定位系统(global positioning system,GPS)信号的依赖,可以在地下、巷道、室内等复杂场景作业[16-17],实现高效的3维数据获取。
随着研究的不断深入,3-D激光雷达的SLAM算法得到了迅猛的发展[18],手持SLAM激光扫描仪便是一个很好的例子。表 1是手持SLAM 3维激光扫描仪与传统设站式3维激光扫描仪的对比。
traditional surveying and mapping means oblique photograph station based 3-D laser scanning SLAM handheld scanning performance low high medium high precision low high high medium dexterity low high low high range little external texture internal and external texture internal and external texture time slow fast medium fast price low high high medium Table 1. Comparison of common building preservation methods
SLAM手持3维激光扫描仪体积小、重量轻、便捷化程度高,内置惯导,在扫描数据的同时,仪器根据内置的惯导模块对激光点云数据进行同步拼接,效率更高,数据精度有保障。SLAM 3维激光扫描技术对历史建筑内部复杂结构数据采集有更加明显的优势,同步采集的图像数据能同时获取历史建筑墙壁上的壁画或其它装饰品,其它传统的方法很难完成。
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本文中的研究对象是大理白族自治州鹤庆县始建于1926年的历史建筑。该建筑为两层四合院院落,占地面积536.47 m2,建筑面积1072.94 m2,椽子采用原状圆形椽,墙体为夯土墙及土坯墙砌体,简板瓦件为原状瓦件,局部更换为新瓦,三坊建筑均建筑为骑厦楼。一、二层天棚采用复合板斜顶结构,院落门窗均为原状门窗,近期采用土红色涂料装饰,主墙以草筋石灰墙面为主,局部有脱落现象,院心地面则采用六角砖地幔作为装饰。整体院落保存完好。
1.1. 研究方法
1.2. 研究区域
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在点云模型中对建筑物耳房的长、宽和建筑物整体的长、宽等4条边进行多次测量,求取平均值,然后用钢尺或激光测距仪在实地也进行多次测量,求取平均值,再计算差值,详细数据见表 2。表中,JCB表示检查边。
JCB 1 JCB 2 JCB 3 JCB 4 point cloud data/m 3.145 10.324 10.368 5.777 measured length/m 3.140 10.320 10.370 5.780 difference value/m 0.005 0.004 -0.002 -0.003 Table 2. Statistical comparison table of the measured data and actual measurement data in a point cloud model
从表中的数据可以看出,实测长度和点云测量的长度是有一定的差值的,差值最大为0.005 m,最小为0.002 m,中误差0.004 m,证明使用SLAM手持激光扫描仪去对历史建筑进行扫描获取的点云数据的精度能满足《古建筑测绘规范》[20]的要求。
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在点云模型中测量历史建筑的天井、柱子、门窗等8个检查点坐标,然后用全站仪在实地测量其坐标,以实测点坐标为基准评定点云精度,实测点坐标与点云测量坐标记录表如表 3所示,坐标精度偏差如表 4所示。表中,JCD表示检查点;*涉及国家具体点位信息。
number measured point point cloud measurement point X/m Y/m Z/m X/m Y/m Z/m JCD 1 **771.332 **124.633 **64.562 **771.335 **124.600 **64.570 JCD 2 **770.823 **113.929 **64.535 **770.814 **113.897 **64.529 JCD 3 **770.709 **121.507 **64.551 **770.695 **121.484 **64.591 JCD 4 **770.470 **117.142 **64.552 **770.475 **117.140 **64.570 JCD 5 **781.303 **123.030 **67.673 **781.348 **123.005 **67.682 JCD 6 **781.199 **120.848 **67.677 **781.168 **120.826 **67.675 JCD 7 **780.668 **124.203 **64.363 **780.620 **124.182 **64.325 JCD 8 **780.158 **113.485 **64.333 **780.127 **113.465 **64.333 Table 3. Record table of measured point coordinates and point cloud measurement point coordinates
JCD 1 JCD 2 JCD 3 JCD 4 JCD 5 JCD 6 JCD 7 JCD 8 ΔX/m -0.003 0.009 0.014 -0.005 -0.045 0.031 0.048 0.031 ΔY/m 0.033 0.032 0.023 0.002 0.025 0.022 0.021 0.020 ΔZ/m -0.008 0.006 -0.040 -0.018 -0.009 0.002 0.038 0.000 Table 4. Point cloud plane and elevation coordinate error statistical table
根据中误差计算公式[21]得到:
式中:ΔX、ΔY和ΔZ分别为检查点的点云坐标与实测检查点的坐标偏差;σ为中误差;n为检查点数量。求得检查点平面位置中误差[21]和高程中误差[21]分别为:
经过距离误差和点位误差分析结果,证明SLAM 3维激光扫描技术能够提供准确的尺寸信息和坐标信息,满足《古建筑测绘规范》[20]的要求。