三維激光掃描對(duì)古建筑模型重建的應(yīng)用

1、三維激光掃描對(duì)古建筑模型重建的應(yīng)用古建筑作為特殊的文化信息載體， 在一定意義上，見(jiàn)證了一個(gè)時(shí) 代的變遷，一旦破壞，就再難以接續(xù)和修復(fù)。對(duì)古建筑進(jìn)行三維重建 是古建筑保護(hù)的有效手段。三維空間信息數(shù)據(jù)的快速獲取是制約古文 物三維重建的一個(gè)難題。三維空間信息的獲取其實(shí)質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù) 的采集。傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)獲取方法多為單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取， 其獲取的 數(shù)據(jù)精度雖高，但耗時(shí)耗力，數(shù)據(jù)更新慢，難以滿足信息快速發(fā)展的 需求。三維激光掃描系統(tǒng)集成多種高新技術(shù)的三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，可快速獲取被測(cè)目標(biāo)表面的陣列式幾 何圖形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速應(yīng)用于城市建筑三維重建和局部信息的空 間信息獲取

2、，是目前測(cè)繪發(fā)展的一個(gè)重要方向。 本文結(jié)合三維激光掃 描的基本工作原理及實(shí)施過(guò)程，以某摩崖造像舍利塔為例，探討了三 維激光掃描技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的應(yīng)用， 給出了三維激光掃描數(shù)據(jù) 采集、數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建的具體步驟。1三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)三維激光掃描是以獲取掃描對(duì)象表面點(diǎn)云的方式來(lái)米集物體表 面的空間坐標(biāo)的。地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由地面三維激光掃描 儀、后序處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它具有與掃描儀器相關(guān) 的特定的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為儀器坐標(biāo)系統(tǒng)。如圖 1所示，儀器坐標(biāo)系統(tǒng) 同樣分為X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸。坐標(biāo)原點(diǎn)即激光發(fā)射點(diǎn)，Z軸向上為正，位于儀器的豎向掃描面內(nèi)；X、丫軸都位于儀器的橫向掃描面

3、內(nèi)； X軸與Z軸、X軸與丫軸分別相垂直，且X軸與丫軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系， 該坐標(biāo)系中，丫軸正方向一直指向被掃描對(duì)象。該系統(tǒng)中的掃描儀主 要包括激光測(cè)距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時(shí)集成數(shù)字?jǐn)z影和儀 器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。測(cè)量時(shí)采用高速激光測(cè)時(shí)、測(cè)距的方法獲取點(diǎn)云 坐標(biāo)：首先，已知測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射的激光束的水平角度a和垂直角度B； 然后計(jì)算脈沖從發(fā)射脈沖到接收反射回來(lái)的脈沖時(shí)間間隔t，進(jìn)而計(jì)算距離S;最后從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色 灰度的匹配，可計(jì)算得到掃描點(diǎn) P （X,Y,Z）的三維坐標(biāo)為：近年來(lái)， 三維激光掃描通過(guò)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系統(tǒng)（GPS、 電荷耦合（CCI）等

4、技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)在測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛， 如城市三維重建、滑坡泥石流監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等。此外，三維激光掃 描技術(shù)在礦山測(cè)量、礦產(chǎn)儲(chǔ)量分析、高山冰雪融化監(jiān)測(cè)、高山與斜谷 測(cè)土等方面也發(fā)揮了重要作用。2三維激光掃描工作流程三維激光掃描的主要工作流程為制定嚴(yán)密的內(nèi)業(yè)計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)勘查與定點(diǎn)、實(shí)施掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維建模。在具體實(shí)施之前應(yīng)根 據(jù)掃描對(duì)象的不同和數(shù)據(jù)采集精度要求， 設(shè)計(jì)合適的掃描路線、測(cè)站 數(shù)、大致的設(shè)站位置，確定合理的掃描距離和采樣密度等。數(shù)據(jù)獲取 主要包括掃描對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和影像數(shù)據(jù)的采集等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì) 量的好壞直接關(guān)系到后期數(shù)據(jù)處理的效果， 因此在數(shù)據(jù)獲取階段還要 初步驗(yàn)證點(diǎn)

5、云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理階段主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪、簡(jiǎn)化、封裝等。本次數(shù)據(jù)主要采 用 FAROSCENGeomagic Photoshop 和 3dsMax2012等軟件進(jìn)行處理， 這就需要數(shù)據(jù)處理人員不但要具有一定的測(cè)量知識(shí)，還要具備一定的三維建模能力。3三維激光掃描在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用3.1古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取以四川省某處摩崖舍利塔為例，本次掃描采用FAROFocus3D120三維激光掃描儀和配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于舍利塔本身體型不算大，故本次掃描過(guò)程設(shè)置3個(gè)測(cè)站，采樣密度設(shè)為10m處6mm為了 保證各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度，設(shè)站時(shí)應(yīng)盡可能保證站與站間掃描區(qū) 域

6、不低于10%勺掃描重疊度。此外，由于該掃描對(duì)象處于旅游觀賞區(qū)， 故掃描時(shí)間選擇在游客密度相對(duì)較少，遮擋相對(duì)小的時(shí)候進(jìn)行。3.2古建筑建模在進(jìn)行古建筑三維建模時(shí)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可逼真地表現(xiàn)實(shí)體的空 間形體特征；但要準(zhǔn)確描述目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，還需要構(gòu)建精細(xì)的TIN三角網(wǎng)模型，在建立目標(biāo)物的TIN模型時(shí)，需進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，如點(diǎn) 云去噪、封裝、修復(fù)漏洞和紋理映射等。1）點(diǎn)云拼接。作為三維重 建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云的精度決定了三維重建的精度，本次數(shù)據(jù)拼接是將3個(gè)測(cè)站有一定重疊度的點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體數(shù)據(jù)。2）聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，是將拼接后3個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云模型聯(lián)合成一個(gè)點(diǎn)云模型。 該操作可 以便于后續(xù)的采樣、封裝等。3）點(diǎn)云

7、去噪和體外孤點(diǎn)。掃描目標(biāo)物獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布散亂，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)掃描的過(guò)程中，任何 無(wú)關(guān)的動(dòng)作，如激光儀的輕微震動(dòng)、激光散射、光線變化、人流樹葉 的遮擋等都會(huì)使測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中出現(xiàn)噪聲點(diǎn)、 粗差點(diǎn)等，因此 去噪和體外孤點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中的噪聲剔除尤為重要。4)統(tǒng)一采樣。獲取舍利塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，采用的是分站式掃描，站與站之間的數(shù)據(jù)存在不 低于10%勺數(shù)據(jù)重疊度，使得各站獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)間有一定的數(shù)據(jù)冗 余，因此在構(gòu)建三維模型時(shí)需以某一閾值進(jìn)行重采樣，這樣可以保證在不影響整體數(shù)據(jù)精度的前提下減少點(diǎn)云數(shù)量， 便于刪除重疊點(diǎn)云和 稀釋點(diǎn)云，采樣后還可以提高數(shù)據(jù)處理時(shí)的運(yùn)算速度。5) 封裝和漏洞修復(fù)。統(tǒng)一采

8、樣后得到的三維點(diǎn)云模型并不能真實(shí)表現(xiàn)研究對(duì)象的 實(shí)體表面，需要將這些空間離散點(diǎn)構(gòu)建成三角網(wǎng)， 以恢復(fù)研究對(duì)象表 面復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)于此，封裝就是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。在數(shù)據(jù) 采集過(guò)程中，由于舍利塔的傘狀結(jié)構(gòu)，使得舍利塔的頂部有些地方無(wú) 法獲取點(diǎn)云信息，造成局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致數(shù)據(jù)漏洞。在建模 過(guò)程中需進(jìn)行“補(bǔ)洞”，使研究對(duì)象的三維模型完整表達(dá)出來(lái)。6)紋理貼圖。紋理映射的主要目的是建立三維幾何模型與影像之間的紋 理關(guān)系，即建立幾何模型上各三角形頂點(diǎn)與影像像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。將數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)賦給已經(jīng)建立的研究對(duì)象的三維模 型，使得三維模型表面具有真實(shí)的紋理信息。 數(shù)碼相機(jī)獲取的影像

9、數(shù) 據(jù)不是正射圖，使得已有紋理信息與實(shí)際信息出現(xiàn)偏差。 為了改善這 種紋理貼圖偏差，需要對(duì)照片進(jìn)行處理校正，轉(zhuǎn)化為正射投影圖后再 進(jìn)行紋理映射。4結(jié)語(yǔ)以某摩崖造像舍利塔為例，本文詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技 術(shù)的古建筑三維模型重建，準(zhǔn)確地獲取了該舍利塔的三維空間數(shù)據(jù)和 影像數(shù)據(jù)，給出了該舍利塔的三維模型效果圖， 并總結(jié)了實(shí)際操作過(guò) 程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。1)掃描階段，要根據(jù)掃描對(duì)象所處實(shí)際地理 位置進(jìn)行細(xì)致安排，如該舍利塔地處旅游景區(qū)，選擇在客流量相對(duì)少 時(shí)進(jìn)行掃描；此外，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在確保精度的基礎(chǔ)上減少數(shù)據(jù) 冗余，應(yīng)合理設(shè)置測(cè)站數(shù)和各測(cè)站點(diǎn)位置。同時(shí)，為了得到更為完整 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需結(jié)合近景攝影測(cè)量以彌補(bǔ)掃描時(shí)細(xì)節(jié)部分的缺失。2)數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)模型質(zhì)量要求合理安排相對(duì)處理因子，如統(tǒng)一采樣