三维重建教堂

历史建筑(如教堂)的重建和维护工作需要详细和准确的信息，但有效地获取这些数据是困难和昂贵的。地面激光雷达和基于无人机系统的摄影测量技术的结合，为收集教堂外部的完整模型提供了充分的方法。此外，它允许通过比较地面激光雷达和从UAS图像中提取的点云之间的重叠区域来进行精度评估。继续往下读，了解德国格莱夫斯瓦尔德13世纪圣尼古拉斯大教堂的一个项目。

位于德国格雷夫斯瓦尔德(Greifswald)的圣尼古拉斯大教堂(Cathedral of St. Nicholas)的历史可以追溯到13世纪^th世纪(图1)。它需要持续维修，需要准确、完整和最新的资料，以进行规划、损坏评估和结构设计。大教堂的规模，尤其是高达97米的塔，令人印象深刻。教堂是中世纪城镇历史中心城市景观的一部分，这使得用普通的地面测量方法来测量建筑变得困难。人们认为，两种技术的结合将提供最好的数据集。地面激光雷达被用来扫描教堂的下部，一直到教堂中殿的屋檐。该数据通过无人机航空系统(UAS)的摄影测量扩展到建筑的更高部分，包括塔。由于邻近的树木会干扰飞行，无人机无法记录大教堂较低的部分。

扫描

地面激光雷达使用FARO的相位差激光扫描仪光子120。该扫描仪的射程可达120米，25米的距离测量精度为2毫米。所有的单个扫描连接在一起，生成一个大的、统一的点云。几个高度可见的目标被放置和标记在扫描中。每个目标都有已知的坐标，这些坐标用于参考坐标参考系中的点云。

飞行准备

扫描后，在教堂周围布置了117个地面控制点(gcp)，每个点的精度为1cm，用于无人机测量的地理参考。空中调查使用了来自微型无人机(MD4-1000)的无人机。这种UAS允许较长的飞行持续时间，因此提供了充足的储备情况下，较高的负载，由于风或空气湍流。该无人机搭载了一架固定焦距为17mm、传感器尺寸为1200万像素的奥林巴斯PEN E- P2相机。

为了从无人机飞行中获得所有必要的信息，需要仔细的计划。为了减少屋顶结构附近的盲点，需要有明显重叠的低空图像和倾斜图像。它被决定在垂直条形的建筑中上下飞行，因为这比在水平飞行中盘旋建筑要容易得多。后一种方法需要持续改变无人机和相机的方向，这比对每个垂直条只改变一次方向要复杂得多。每个带必须位于15米到20米之间的建筑。这提供了在图像中实现高度细节和保持足够的安全裕度以补偿强烈风切变之间的最佳平衡。相机和建筑之间的距离变化必须尽可能小，因为相机被设置为固定的焦距。如果无人机偏离计划的测量距离太大，图像将变得模糊，使它们变得无用。

两项调查

2014年3月，在阴天进行了两次UAS调查(图2)。这比完全晴朗的天气更好，因为强烈的光照差异和强烈的阴影在随后的密集匹配阶段造成了问题。教堂的中殿是用传统的方式拍摄的，在大约60米的高度，用平行的条状物拍摄。这是无人机的第一次飞行，增加了一些额外的倾斜图像。总共有348幅教堂中殿的图像。第二次飞行被用来占领教堂的塔。这是在12个垂直的条形建筑中完成的，在立面的方向上有一个倾斜的摄像机，角度为30°。对于这些沿着塔的垂直飞行，图像间隔被设置为在立面上实现大约80%的图像重叠。在塔的飞行过程中，图像被连续触发，产生了550张塔的图像。这将从降序条带中排除图像。由于技术问题，相机在下降时无意中向下看，导致无法使用的图像。 Since the overlap in all the strips is very high, all objects are still included in several stereo models.

密集匹配

无人机飞行的图像被用于使用密集匹配生成三维点云。这种方法是基于自动像素搜索重叠图像之间的对应关系。首先，利用Agisoft Photoscan软件计算923张图像的摄影测量方向。我们使用117个gcp进行地理参考，并对结果进行独立检查(图3)。对于中殿区域，这一过程产生了大约1150万个点云，这对于所需的应用来说足够密集。

由于无法在图像对比度较低的位置提取点，计算出的塔点云不够密集。因此，由斯图加特大学摄影测量研究所开发的SURE软件包被选中对点云进行致密化。在SURE中，基于一种适应的半球形匹配算法，可以从几个立体模型中计算出每个像素的3D坐标。它需要方向参数和无畸变图像作为输入，使用Agisoft的结果。

通过SURE计算，将所有估计精度小于2mm的点都过滤掉。随后，点云进一步减薄10倍，形成了1.8亿个点云。三个点云(较低的部分，中殿和塔)然后可以合并成一个大的，一致的点云。

精度验证

以地面激光雷达与UAS点云重叠区域的代表性测试区域进行精度比较。它们位于中殿的不同部分，表面积从128到330平方米不等。由于两个源的点云基于相同的坐标系，可以很容易地进行积分和比较。

对于每个测试区域，将UAS点云与地面激光雷达数据进行对比，作为参考。通过创建直方图并计算平均值和标准差，对距离值进行统计分析。大于30cm的偏差将作为离群值从比较中排除。测试区域表面的平均偏差在1.5cm ~ 3.3cm之间。标准偏差为2.5 ~ 8.8cm。在均匀的表面区域，如墙内，两点云之间的差异很低，在几厘米的范围内。小的结构和边缘在地面激光雷达点云中表现得更好，因为它们在无人机云中看起来是平滑的。较大的差异主要是由于其他点云信息的缺乏，或者在某些情况下，是由于偶尔的异常值或不正确的测量造成的。表1显示了所有测试区域的结果。

位置		长×高(m)		抵消,意味着(厘米)		抵消,σ(厘米)
地北		25 x 8		1．5		5．4
地面南		32 x 4		3．0		7．1
一楼北		52 x 5		2．8		3．2
一楼南		33 * 4		3．3		8．8
山墙		15 x 22		2．4		2．5

表1精度验证结果。

结束语

快速视检是建筑师和规划师长久以来的梦想。这些图像为评估建筑物的当前状态提供了有价值的基础，作为重建决策的基础。在这个项目中，TLS和UAS摄影测量的结合是一个合乎逻辑的步骤，因为每一种方法都克服了对方的问题。将它们结合起来可以生成一个紧凑而精确的整个建筑的3D模型，从经济角度来看是有利的(图4)。

图1，德国格雷夫斯瓦尔德的圣尼古拉斯大教堂(由Roland Rosner提供，Deutsche Stiftung Denkmalschutz)。

图2,UAS MD4-1000准备起飞。

图3密集匹配生成的三维模型上覆盖的gcp和检查点。

图4中殿的模型(左)和逼真的纹理渲染(右)。

作者

Matthias Naumann在德国柏林应用科学大学学习测量学，在奥地利萨尔茨堡大学学习地理信息系统和科学。自2001年以来，他一直在德国罗斯托克大学大地测量与地理信息学系工作。

电子邮件:matthias.naumann@uni-rostock.de

dr . ing Görres Jochen Grenzdörffer在德国Tübingen的大学学习地理。自1994年以来，他一直在罗斯托克大学大地测量学研究所担任研究员。2001年，他在罗斯托克大学(University of Rostock)获得博士学位。

电子邮件:goerres.grenzdoerffer@uni-rostock.de

进一步的阅读

Naumann等人(2015):uas -摄影测量与TLS zur Vermessung和3D-Modellierung von Kirchenbauwerken am Beispiel des Greifswalder Dome的共生。: Th。Luhmann / Ch。穆勒(余热锅炉):摄影测量-激光扫描- Optische 3D-Messtechnik, Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2015， Wichmann - VDE Verlag, 2015。