【正文】 中文 4520 字 出處： The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2020, 35: B5 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和激光掃描 文化 遺產(chǎn) 文檔的 一體化 奧爾莎娃卜克赫 *葉海亞 哈拉諾伯特 德國(guó)斯圖加特大學(xué)攝影測(cè)量學(xué)院 斯圖加特兄妹大街 24D,D70174 委員會(huì) V4 工作組 關(guān)鍵詞 ：文化遺產(chǎn)，攝影測(cè)量，激光掃描，融合，線性表面特征，半自動(dòng)化 摘要： 本文在結(jié)合地面激光掃描和近景攝影測(cè)量文物古跡文件的潛力進(jìn)行了討論。除了改進(jìn)了的幾何模型，一體化的目的是支持在歷史場(chǎng)景中如邊緣和縫隙的線性特性的視覺(jué)質(zhì)量。雖然激光掃描儀提供了非常豐富的表面細(xì)節(jié)，但是它并沒(méi)有提供足夠的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)造被掃描物體的所有表面特征的輪廓，即使他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中都有清晰的輪廓。在地物邊緣和線性上的信息是基于圖像的分 析。為此目的一個(gè)基于圖像數(shù)據(jù)的集成分割過(guò)程將支持對(duì)象的幾何信息從激光數(shù)據(jù)的提取。該方法適用于基于圖像的半自動(dòng)化技術(shù)以填補(bǔ)激光掃描數(shù)據(jù)的空白，并添加新的細(xì)節(jié)，這就要求建立現(xiàn)場(chǎng)體積更現(xiàn)實(shí)的感知。實(shí)驗(yàn)的調(diào)查與實(shí)施是基于從艾爾卡茲尼寶庫(kù)獲得的數(shù)據(jù)，一個(gè)在約旦佩特拉著名的紀(jì)念碑。 緒論 在文物古跡的文檔中經(jīng)常需要生成歷史建筑物的三維模型。即旅游的目的是為學(xué)生和研究人員提供教育資源。在這些模型生成過(guò)程中，要求高幾何精度，所有信息的可用性，模型中的尺寸大小和影像寫實(shí)效率必須通過(guò)不用的數(shù)據(jù)收集方法來(lái)滿足 [埃爾 哈基 姆等人， 2020]。 近景攝影測(cè)量是一個(gè)在遺產(chǎn)文檔的背景下經(jīng)常采用且廣為接受的技術(shù) [格魯恩等人， 2020 和德貝韋茨， 1996]。在過(guò)去的十年中， 這些傳統(tǒng)的陸地方法也受益于這樣一個(gè)事實(shí) :用單架相機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像采集現(xiàn)在是可行的。 因此，攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集的效率可以通過(guò)基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)工具的集成大大改善。此外，激光掃描已成為高質(zhì)量的 3D 模型的文化遺產(chǎn)和歷史建筑生成三維數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)工具 [伯勒爾和馬布斯， 2020]。這些系統(tǒng)允許快速和可靠的生成根據(jù)反射的光脈沖的運(yùn)行時(shí)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的三維點(diǎn)。這將使得可以在一個(gè)非常有效和 密集的幾何形狀表面進(jìn)行測(cè)量。關(guān)于測(cè)量速率目前的局限性，準(zhǔn)確性，或空間點(diǎn)的密度在不久的將來(lái)進(jìn)一步的消失，因此，激光掃描似乎成為三維文件及遺產(chǎn)的生成演示占主導(dǎo)地位的方法。 盡管這些方法有重大的進(jìn)展，但是還存在一定的局限性，這對(duì)最終的三維模型的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響。盡管目前的激光掃描儀可以快速，可靠地產(chǎn)生大量的點(diǎn)云，但這個(gè)數(shù)據(jù)的分辨率仍然是不充分，特別是邊緣和線性地物是否被收集。相反，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是在輪廓再現(xiàn)更準(zhǔn)確的，特別是如果他們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中輪廓分明的情況下。另一方面，對(duì)于表面含有不規(guī)則的和無(wú)標(biāo)記的幾何細(xì)節(jié)的部分圖像單獨(dú) 建模困難的，甚至不切實(shí)際。另外，可以手動(dòng)或半自動(dòng)識(shí)別被測(cè)點(diǎn)，但這是一個(gè)漫長(zhǎng)而繁瑣的工作，特別是如果有相當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)被捕獲。 如果數(shù)據(jù)收集是從不同的角度實(shí)現(xiàn)的，才能保證像文物古跡空間復(fù)雜對(duì)象的完全覆蓋。盡管這在大多數(shù)情況下是可能的，但問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)事實(shí)，即建立和拆卸完成激光系統(tǒng)是相對(duì)耗時(shí)的。與之相反，這種嘗試用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)碼相機(jī)收集附加圖像幾乎可以忽略。 此外 ,相對(duì)于激光掃描測(cè)量范圍在圖像集合的限制越來(lái)越少，為覆蓋該對(duì)象的完整結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了不同視點(diǎn)的選擇。 出于這個(gè)原因，有利于完成一個(gè)已經(jīng)從激光測(cè)量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，從 該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)獨(dú)立地捕捉強(qiáng)度圖像的幾何模型。通過(guò)這些方法幾何對(duì)象，基于攝影測(cè)量提供的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)由于閉塞是不可使用的。 因此，如果這兩種技術(shù)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中被組合，那么數(shù)據(jù)采集的效率和靈活性達(dá)到最高程度將是可能的。在我們的方法這種融合有助于提高收集三維模型的幾何形狀和視覺(jué)質(zhì)量。在數(shù)據(jù)收集邊緣和類似裂紋線性地物信息是基于從激光數(shù)據(jù)提供的對(duì)象的幾何信息圖像的分析。此外，不可訪問(wèn)的激光數(shù)據(jù)掃描區(qū)域原因是由于被遮蓋，這就需要增加圖像的半自動(dòng)化 評(píng)價(jià)。通過(guò)這些方法，現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)完整的三維特征可以生成足夠清晰的細(xì)節(jié)。 在本文 所提出的方法是在一個(gè)項(xiàng)目針對(duì)三維虛擬模型的艾爾卡茲尼寶庫(kù)生成證明框架， 就是在約旦佩特拉一座著名的紀(jì)念碑。第二節(jié)對(duì)采集和相關(guān)圖像預(yù)處理和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了討論。這個(gè)預(yù)處理的要求主要是為了配準(zhǔn)激光和圖像數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步處理。第三部分提出了我國(guó)模范特征提取方法用于艾爾卡茲尼寶庫(kù)左門的混合動(dòng)力系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理 在與約旦哈希姆大學(xué)合作進(jìn)行的數(shù)據(jù)的收集，它已經(jīng)用于我們的學(xué)術(shù)研究。其中一個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是在約旦佩特拉城艾爾卡茲尼寶庫(kù)紀(jì)念碑生成的三維文件，這是在如圖 1 所示。 圖 1. 佩特尼艾爾卡茲尼寶庫(kù)正面 、艾爾卡茲尼紀(jì)念碑 古代納巴泰佩特拉城經(jīng)常被稱為古代的第八大奇跡。從公元前 400 年到公元 106 佩特拉城是約旦西南部繁榮的納巴泰帝國(guó)首都。 佩特拉的廟宇，陵墓，劇院等建筑分布在 400 平方英 里，這些建筑被雕刻成玫瑰色的砂巖峭壁。之后一個(gè)旅客進(jìn)入佩特拉，從山上一兩公里令人印象深刻的裂縫進(jìn)入佩特拉，第一門面被看作是艾爾卡茲尼寶庫(kù)，這被認(rèn)為是在佩特拉城最有名的古跡。 艾爾卡茲尼寶庫(kù)正面是高 40 米 ,保存相當(dāng)完好 ,可能是因?yàn)樗拿荛]空間保護(hù)它免 受侵蝕的影響。當(dāng)阿拉伯人叫它艾爾卡茲尼寶庫(kù)的時(shí)候，意味著路是過(guò)的駱駝商隊(duì)的金庫(kù)或稅務(wù)局，而另一些人則認(rèn)為，艾爾卡茲尼寶庫(kù)紀(jì)念碑是一座墳?zāi)?。艾爾卡茲尼寶?kù)令人印象深刻的外觀背后，寬大的方形房間是用巖石雕刻出來(lái)的 [賽德采克， 2020]。 、傳感器應(yīng)用 對(duì)于點(diǎn)的采集， MENSI 公司公司制造的 三維激光 掃描系統(tǒng)的 gs100，法國(guó)已經(jīng)在應(yīng)用。掃描儀的特點(diǎn)是在水平方向 360 度視角，在垂直方向 60 度視角，使能夠?qū)崿F(xiàn)全景采集。測(cè)距是原理是由飛行測(cè)量基于綠色激光器 532 nm 處的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的掃描范圍允許測(cè)量 距離是 2 至 100 米。掃描儀 50 米的距離的光斑大小為 3 毫米 。距離單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 6 毫米，該系統(tǒng)每秒能夠測(cè)量 5000 個(gè)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集 768X576 像素分辨率的校準(zhǔn)視頻快照是另外拍攝的，它會(huì)自動(dòng)映射到相應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)。 除了激光數(shù)據(jù)，數(shù)字圖像捕獲也使用富士 S1 相機(jī)的攝影測(cè)量處理，由于它提供了一個(gè)1536x2034 像素分辨率和 20 毫米焦距。 、測(cè)量配置 因?yàn)樵诎瑺柨ㄆ澞嵴婊趶膯蝹€(gè)站收集的數(shù)據(jù)不可能有一個(gè)完整的三維覆蓋率為，所以采用三個(gè)不同的視點(diǎn)與 5 次掃描來(lái)解決單站的遮擋。選擇的觀測(cè)點(diǎn)位置的問(wèn)題作為調(diào)查這樣 一個(gè)紀(jì)念碑的一個(gè)重要階段，因?yàn)闈撛诘膫鞲衅髡臼潜话瑺柨ㄆ澞嶂車嗌降沫h(huán)境限制。三個(gè)被選中的觀測(cè)點(diǎn)，一個(gè)在紀(jì)念碑的入口區(qū)，一個(gè)在紀(jì)念碑的左邊，最后一個(gè)掃描是從高出的觀測(cè)點(diǎn)收集。由于認(rèn)為從這些位置的激光掃描儀從一個(gè)掃描點(diǎn)的垂直領(lǐng)域不可能涵蓋所有的門面，左側(cè)和頂部掃描使用來(lái)自同一個(gè)位置 2 個(gè)掃描點(diǎn)，考慮到擁有足夠的重疊區(qū)域，以便后續(xù)做整合?？偠灾?，五次掃描收集近 500 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。 所有獲得的三維模型都使用Innovmetric 公司的 PolyWorks 軟件來(lái)處理。 在一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)合并五掃描到絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)得出艾爾卡茲尼 外觀模型。使用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的掃描登記后，軟件構(gòu)建了一個(gè)非冗余的表面表示， 在被測(cè)物體的每一部分只是描述了一次。五個(gè)激光掃描的組合的結(jié)果如圖 2，所生成的模型在平均每 2 厘米分辨率有超過(guò) 1000 萬(wàn)個(gè)三角形。 圖 2. 5個(gè)掃描所創(chuàng)建的艾爾卡茲尼的三維模型 在額外的外部調(diào)查，一個(gè) 360 度的掃描儀在艾爾卡茲尼寶庫(kù)內(nèi)一個(gè)站點(diǎn)掃描了 1900 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。圖 3 顯示了此次掃描的點(diǎn)云與覆蓋顏色信息。 圖 3. 360度掃描的艾爾卡茲尼的內(nèi)部 綜合數(shù)據(jù)處理 盡管由激光掃描器產(chǎn)生的三維模型包含了大量 描述表面的三角形，但仍然難以識(shí)別和定位的表面特征的輪廓。這種類型 特征的一個(gè)圖像清晰可見(jiàn)的例子，如圖 4 所示。 這個(gè)數(shù)據(jù)是從艾爾卡茲尼寶庫(kù)左側(cè)門收集的。它可以從相應(yīng)的三維視網(wǎng)狀模型如圖 5 所示看出，這些裂縫和邊緣輪廓是失去了在現(xiàn)有的激光數(shù)據(jù)的分辨率。 圖 為了支持這樣的細(xì)節(jié)的視覺(jué)質(zhì)量，一種從激光掃描儀和數(shù)字圖像數(shù)據(jù)組合的混合方法被開(kāi)發(fā)。 整合所有的數(shù)據(jù)集都是配準(zhǔn)在第一處理步驟。這是一種提取邊緣數(shù)據(jù)源對(duì)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種算法，這種算法是由 [科林乃克和弗里奇， 2020]提出來(lái)的 。傳感器計(jì)算出后視定向的參數(shù)后，從點(diǎn)云提供在現(xiàn)有的圖像缺失的第三維來(lái)生成距離圖像。最后， 基于圖像數(shù)據(jù)的集成的分割過(guò)程被用于支持提取的細(xì)節(jié)和表面特征輪廓的距離圖像， 加上，該方法適用于半自動(dòng)特征提取的圖像來(lái)縮小與激光掃描數(shù)據(jù)的差距。 通過(guò)這些方式可以添加必要的細(xì)節(jié)產(chǎn)生更現(xiàn) 實(shí)場(chǎng)景的感知。在下面的段落中混合的方法將更詳細(xì)地討論。在艾爾卡茲尼寶庫(kù)的左門在圖 4和圖 5 中作為示范進(jìn)行處理。 圖 、數(shù)據(jù)配準(zhǔn) 在注冊(cè)激光掃描儀和圖像數(shù)據(jù)過(guò)程的質(zhì)量 ,追求綜合處理是一個(gè)關(guān)鍵因素。這個(gè)注冊(cè) 對(duì)應(yīng)坐標(biāo)可是否以 在這兩個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的準(zhǔn)確的檢測(cè)和測(cè)量是很困難的，特別是對(duì)從激光掃描點(diǎn)云，直線在圖像和激光數(shù)據(jù)之間對(duì)應(yīng)元素之間測(cè)量。這些線是按 [科林乃克和弗里奇， 2020]一個(gè)形狀匹配后跟一個(gè)修改的空間后方交會(huì)。 該算法將 三維直線從激光數(shù)據(jù)和相應(yīng)的二維圖像直線提取出來(lái)，這是由兩個(gè)已知點(diǎn)，成為一個(gè)參數(shù)化的表示。 然后通過(guò)空間后方交會(huì)確定圖像的未知的外部參數(shù)。 為了解決空間后方交會(huì)問(wèn)題，利用高斯馬爾可夫模型的外方位參數(shù)的初始值的最小二乘算法的實(shí)現(xiàn)。他的從激光掃描儀數(shù)據(jù)的直線邊緣提取被簡(jiǎn)化，如果必要的線是由兩個(gè)相交平面的表面定 義，如它在圖 6 中顯示所示。數(shù)字圖像中的相應(yīng)的邊緣提取可以交互地或半自動(dòng)的基于邊緣的分割。至少三個(gè)相應(yīng)的直線都需要獲得一個(gè)獨(dú)特的 空間后方交會(huì) 解決方案的。 、距離圖像的生成 后視坐標(biāo)和取向參數(shù)被記錄在激光掃描儀坐標(biāo)系中，共線條件方程用來(lái)生成一個(gè)基于現(xiàn)有的點(diǎn)云 的距離圖像在 我們的示例場(chǎng)景中，點(diǎn)云是從 1 厘米平均分辨率鄰近視點(diǎn)收集。與相應(yīng)的圖像（ 1536x2304 像素）的像素生成數(shù)目相同的距離圖像。 圖 ，其中之一是由網(wǎng)格線用于演示目的而表示 圖 7。投影在對(duì)應(yīng)的圖像的左門的距離 圖像。 艾爾卡茲尼寶庫(kù)門左邊 ,三個(gè)距離圖像生成的三張圖片是從不同的相機(jī)生成的。圖 7 描述了其中一個(gè)距離圖像投影相應(yīng)的影象。 圖 8。提取艾爾卡茲尼寶庫(kù)左側(cè)門的三維特征，基于圖像測(cè)量柱的內(nèi)緣。 、圖像分割 分割過(guò)程用于從三個(gè)不同的數(shù)字圖像自動(dòng)提取線性特征的二維坐標(biāo)。用于此目的的基礎(chǔ)上，蘭瑟濾波器的邊緣檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用在 3 成像的