利用激光扫描和数码相机进行古建筑三维重建研究

第32卷第2期

2007年3月

测绘科学

Science of Surveying and M app ing

Vol 132No 12

Mar 1

作者简介:邓非(1976-),男,博士研究生,主要从事摄影测量、计算机视觉、L I 2DAR 数据处理等方面的研究工作。E Οmail:dengf Οwh@1631com 收稿日期:2006Ο01Ο19

基金项目:国家自然科学基金(40301041)

利用激光扫描和数码相机进行古建筑三维重建研究

邓　非①

,张祖勋②

,张剑清

②

(①武汉大学测绘学院,武汉　430070;②武汉大学遥感信息工程学院,武汉　430070)

【摘　要】本文提出了一种利用激光扫描仪和数码相机对古建筑物进行快速三维重建的方案。对于待扫描的建筑

物,获取从不同角度扫描的激光点云,并用手持数码相机拍摄具有一定重叠度的序列图像。首先,对相邻扫描站的激光点云自动拼接,生成统一的点云模型。通过在点云和图像上分别提取特征直线,利用共面条件,解算各张照片相对于激光扫描坐标系的方位元素。利用已配准的两种传感器数据,提取建筑物框架,并映射纹理,生成三维模型。文章最后给出对武汉大学老图书馆三维重建的实验结果。【关键词】三维重建;古建筑测绘;激光扫描系统;数据处理【中图分类号】TP751 【文献标识码】A 【文章编号】1009Ο2307(2007)02Ο0029Ο02

1　引言

随着激光技术的快速发展,激光三维扫描技术以其独有的优势正广泛地应用于各个领域。与传统的三维信息获取技术相比,它能够快速、精确、无接触地完成对于复杂表面的测量和建模。同时,工程应用中,经常需要对重要古建筑进行精确的测绘工作,为古建筑保护提供第一手资料。激光三维扫描作为一种先进的技术手段,已成功用于故宫等的修复测绘中[1],并取得了较好的效果。由于遮挡关系,在某一扫描站上不可能获得被扫目标的所有三维信息,因此需要从不同角度多次扫描和利用数码相机补拍。因此,结合摄影测量与激光扫描方法,充分利用两种传感器的优点,减少人工干预,进行古建筑快速三维重建的研究是十分必要的。

2　数据采集

三维激光扫描仪采用仪器内部设定的坐标系统,所得到的原始观测数据主要是:根据激光脉冲传播时间计算的距离值和2个精确测定的扫描角,通过三角原理计算出每个点的三维坐标,同时激光脉冲还返回强度信息。三维数据建模的好坏直接取决于扫描的质量,因此在扫描时尽量选择遮挡较小的扫描点,并且从不同角度扫描。数码相机具有拍摄灵活、快速的优点;在被测物周围不同角度拍摄一组数字影像,不仅可提供丰富的纹理信息,而且还可以补充激光扫描的缺失区域。同时,拍摄时应至少保证60%以上的重叠,以便于后续的相对定向和模型连接。由于更高的重叠度能显著提高立体匹配的可靠性,实际中通常采用80%以上的重叠度

并采用多基线匹配算法,以减低相邻照片间基线过短造成对精度的负面影响。(数据采集示意图如图1)

3　相邻扫描站的拼接

由于一幅扫描点云图无法获取建筑物的全貌,而从不同扫描站获得的点云分别采用其各自的局部坐标系,因此需要将它们配准到一个统一坐标系下。本文采用最近邻迭代配准(I CP )算法实现对两个扫描站的自动拼接。I CP 算法

图1　激光扫描和手持数码相机获取数据示意图最初由Besl 和McK ay 提出[4],是一个迭代优化过程,用于寻找两个三维表面点集最优匹配的刚性变换。

算法可描述为:①假设有两个点云集合F 和M;②首先通过把M 中的每一个点与F 集合中最近的点进行匹配,建立F 和M 中特征的对应;③估计出M 到F 的最小二乘意义上的刚性变换T;④最后对M 应用计算出来的变换T 。

重复步骤2至4,直到匹配点间的平均距离小于某些给

定的阈值时迭代停止。

两个配准好的点云如图2。(蓝色和白色分别代表来自两个不同扫描站的点云)

4　照片与激光点云的配准

手持数码相机拍摄的序列影像具有一定的重叠度,对每个相邻像对匹配同名特征点,并利用匹配点做相对定向、模型连接,构建自由网(无控制信息)。在每张图像上利用边缘提取和跟踪算法,提取特征直线。

由于激光扫描仪在获取三维信息的同时也返回被扫描物的强度信息,因此可用来生成强度图像(见图3)。在强度图像上提取直线,同时利用强度图像附带的深度信息,可获得直线的三维坐标。

根据像方直线(从序列影像获得)和物方直线(从强度图像获得)共面的条件:

u p v p w p X P -X S Y P -Y S Z P -Z S X Q -X S

Y Q -Y S

Z Q -Z S

=F p =0

X P ,Y P ,Z P 、X Q ,Y Q ,Z Q 是直线两端点P,Q 的物;u p ,v p ,w p p 在摄影测

(4)。

由此实现自由网的绝对定向,从而解算出每张相片在激光点云坐标系下的外方位元素。

5　生成建筑框架与纹理贴图

从获得方位元素的照片组,选出不同视角下的若干像对,在双目立体摄影测量系统下,测出建筑物的轮廓线。由激光点云通过最小二乘准则拟合平面或二次曲面,生成建筑物的主框架。将几何模型投影到相应的照片,即可自动获取纹理坐标,并进行纹理映射。最后,将生成的模型框架输入C AD 系统,

补充建筑物的细节。

武汉大学图书馆古籍馆建于民国年间,为全校最古老的标志性建筑,也是国务院批准的国家第五批重点文物保护单位。本实验采用Riegl 公司L MS ΟZ210i 扫描仪对老图书馆进行扫描,同时使用28mm 焦距的K odak

Pr o14n 相机拍摄序列影像,分辨率为4500×3000像素。三维重建结果如图5所示。

6　结论

本文提出一种激光扫描和数码相机相结合的古建筑三

维重建方案。采用半自动算法对两种传感器数据进行配准,充分利用二者的优点,快速生成建筑物轮廓和纹理贴图。实验结果表明这种方法是可行而有效的。

参考文献

[1]余明,丁辰,过静1激光三维扫描技术用于古建

筑测绘的研究[J ].测绘科学,2004,(5):69Ο701[2]

张远智,胡广洋,刘玉彤,王庆洲1基于工程应用的3维激光扫描系统[J ].测绘通报,2002,(01):34Ο361

[3]

朱宜萱,周月琴,李爱勤1三峡库区古文物古建筑的摄影测量与数字化存档研究[J ].测绘通报,1998,(2):27Ο281

[4]

Besl PJ ,McKay N D 1A M ethod f or Registrati on of 3ΟD Shapes [J ].I EEE Trans 1on Pattern Anal and Mach 1I ntel,1992,14:239Ο2561

[5]

Habib,Schenk 1A ne w app r oach f or matching surfaces fr om laser scanners and op tical sens ors [J ].I A PRS ,1999,32(3):68Ο751

[6]Grun 1A,Wang 1X 1CC Modeler:A T opol ogy Generat or f or 3ΟD CityModels [J ].I A PRS,1998,32,(4):188Ο1961[7]

Henricss on O,B ignone F,W illuhn W ,Ade F 1Pr oject AMOBE:Strategies,Current Status and Future Work [J ].I A PRS,1996,31,(B3):321Ο3301

[8]

舒宁1激光成像[M ]1武汉:武汉大学出版社,20051

(上接第17页)

参考文献

[1]黄幼才,刘文宝,李宗华,等1GI S 空间数据误差分析和处理[M ]1武汉:中国地质大学出版社,19951[2]

刘大杰,史文中,童小华,等1GI S 空间数据的精度分析与质量控制[M ]1上海:上海科学技术文献出版社,19991

[3]马荣华1地理空间认知与GI S 空间数据组织研究[D ]1南京:南京大学,20021

[4]葛咏1遥感和GI S 不确定性研究[D ]1北京:中国科学院,20011

[5]王光远,张跃1模糊随机过程论[M ]1贵阳:贵州科技出版社,19941

[6]王永传1系统模糊可靠性分析的理论与方法研究[D ]1长沙:国防科学技术大学,19991

[7]

A ll A sghar A lesheikh 1Modeling and managing uncertain 2ty in object Οbased geos patial infor mati on syste m [D ]1P 1H 1D thesis,The University of Calgary,1998

[8]承继成,郭华东,史文中,等1遥感数据的不确定性问题[M ]1北京:科学出版社,20041

[9]王英杰,袁勘省,余卓渊,等1多维动态地学信息可视化[M ]1北京:科学出版社,20031

[10]

Shannon C E and W W eaver 1The Mathe matical Theory of Communicati on [D ]1University of Illinois Press,U rban,Illi onois,19591

[11]

B lais J A R 1On s ome p ractical app licati obs of infor ma 2ti on theory in Geomatics [J ]1Candian I nstitute of Surveying and Mapp ing (

C I S M )Journal,1991,45

(2):P239Ο2471

[12]Rao C R 1L inear Statistical I nference and its App licati on [J ]1John W iley and Sons,19651

[13]段新生1证据理论与决策、人工智能[M ]1北京:中国人民大学出版社,19941

[14]刘大有1知识系统中不确定性和模糊性处理的数值方法[M ]1吉林:吉林大学出版社,20001[15]Z adeh L 1A 1Fuzzy Sets [J ]1I nf or mati on and Contr ol,19651[16]刘文宝,邓敏1GI S 图上地理区域空间不确定性的分析[J ]1遥感学报,2002,6(1):45Ο491

[17]宋涛1矢量GI S 中模糊地理区域地理信息不确定性研究[D ]1西安:西南交通大学,20021

[18]何新贵1模糊知识处理的理论与技术(第2版)[M ].北京:国防工业出版社,19981

[19]陈奇南,梁洪峻1模糊集和粗糙集[M ]1计算机工程,2002,28(8):138Ο1401

[20]刘清1Rough 集及Rough 推理[M ]1北京:科学出版社,20031

[21]王国胤1Rough 集理论与知识获取[M ]1西安:西安交通大学出版社,20011

[22]Goodchild M F and S 1Gopal 1Accury of S patial Data 2base [Z]1Tayl or and Francis,19891

[23]

D unn R ,H arrison A R and W hite J C 1Positi onal ac 2curacy and m easure error in digital database of land use:an emp irical study [J ]1I nternati onal Journal of Geographic I nfor m ati on System s,1990,4(4):385Ο3981

[24]

Hunter G J 1Accuracy and GI S Οwhy worry about it?[J ]GI S A sia Pacific,1996,2(2):16Ο171

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