论三维点云数据与古典园林池山部分的表达★

喻梦哲 林 溪

(西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055)



·园林·绿化·

论三维点云数据与古典园林池山部分的表达★

喻梦哲 林 溪

(西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055)

以苏州环秀山庄与耦园为例，针对古典园林中池、山等部分的外观轮廓难以精确测量和清晰表达的问题作了研究，探讨了三维激光扫描与近景摄影测量等技术在此类工作中的应用，以供参考。

池山轮廓，非欧几何体，三维激光扫描，近景摄影测量

0 引言

我国古典园林的构成要素众多，而尤以池、山为核心骨架，园林整体的风貌也正是藉由其格局和品味奠定。

由于山石摆放、池岸走势皆需顺应自然，故其轮廓向无规律可循；而山石层次的复杂多变，又为量得数据后的图面表达带来更多困难。

自2011年起，西安建筑科技大学针对诸多苏州古典园林，使用三维激光扫描和近景摄影测量技术对其中几座代表性的假山、池沼部分进行了信息采集，以作辅助制图之用。

1 传统测量手段评述

传统测量仪器包括经纬仪、水准仪及手工皮、卷尺等，具体操作分平面、立面两个环节完成，先行量得各建筑物台基部分角点作为定位依据，再自台基边缘以直角坐标法或两点法向外引出池、山部分各标高上的控制性拐点，获得其分层轮廓，继而由测得多个特征点令各石块的边缘闭合。在此基础上利用经纬仪量点并代入公式计算，得到石块水平与竖直方向的拐点数据，连接后即得到立面轮廓。

这样的技术手段，虽然有成本低廉、轻便易携、流程单一等优点，但耗费人工，测得数据有限且精度不足，因此有必要尝试新的信息采集技术，比较与反思新、旧测绘手段在记录与表达池、山要素时的优劣差别。

2 三维激光扫描技术在园林测绘中的使用

三维激光扫描仪采用激光测距的工作原理，连续、自动采集海量数据，可以快速、准确、无接触地完成复杂表面的测量工作，而被测对象表面扫描点的集合则称为“点云”。

在环秀山庄北侧池、山部分的测绘中，我们利用徕卡C10扫描仪，前后共架设11个分站，围绕假山形成闭合导线。

经总结，三维激光扫描技术应用于园林假山时主要存在以下问题：其一是盲区众多，因山石纵横堆叠，相互遮挡，形成大量孔隙，加之山径狭窄，难以架站，导致缺失信息较多，模型完整度不高。其二是难以降噪，因园林池、山之上，大量植物与测量对象混杂，无法剥离。其三是难以建模，三角网封装无法适用于遮挡严重的山石，导致难以将点云总合成具有闭合表面的模型。即或如此，一个较为粗糙的全息点云模型对于园林测绘及园林史教学还是不无裨益的。通过整理两套技术路线分别针对同一对象的测绘成果，我们总结了一些结合两者之长以校正、完善最终图面成果的方法，详述如下。

3 点云在测绘图校正过程中的应用方法

3.1 点云切片操作与山石层次的精确表达

石砌假山本质上是由各标高上各自闭合的成组石块上下堆叠而成，而又以山径、涧谷、飞桥、石洞等要素打断水平组块、联通竖向体块，使之相互穿插交织而成。因此，测量和绘制假山平、立面时，分清层次最为重要。在点云中，可以人为选择切片位置和厚度，使其仅呈现该位置的物象轮廓并分层描图、叠加以获得精确的立面边缘。这相当于在信息采集阶段以机器自动读数代替人工测点，在计算机辅助制图阶段以描摹光栅图像代替算点绘图，从而将复杂劳动转化为简单劳动，大幅提升工作效率。

3.2 摄影测量与池岸轮廓的直观呈现

在耦园黄石假山及池岸的测量工作中，我们综合利用了多种摄影测量的手段，首先在池、山控制点上粘贴纸标靶，利用全站仪打点形成控制性空间网格；其次沿山体边缘环绕拍摄；最后利用大疆精灵3型四旋翼无人机进行了航拍；最后利用PhotoScan软件处理摄得照片。在此基础上，我们以正射俯瞰视角调整模型并截图，导入CAD文件后勾勒池、山整体轮廓与较大石块的边缘及分体线，得到了较手工测量更为准确的平面图形。

3.3 数码相片提取与色彩渲染的真实表现

由于摄影测量所需照片量巨大，且其最终模型直接来自大量总和后的相片，其体现出的色彩与材质十分接近于现实中的平均情况，因此可作为图纸后期着色的重要信息来源。即直接将模型图片导入Photoshop等软件，吸取相应位置颜色后对白线图进行渲染。

3.4 点云密度估测与树形树冠的初步记录

使用三维激光扫描同样可以记录树木的相关信息，虽然无法像建筑、山体、道路等硬质部分一样精确计量，但较之以往的目测，还是更为可靠。除了枝干形态、纹理等直观信息外，尚可利用点云对树冠体积等较为虚化的空间关系进行推算。按照所谓的“体元模拟法”，可以用固定大小的体元模拟不规则的树冠形状，即首先将树冠沿高度方向以k为单位分段，将每一段内的三维测点投射到底平面上，继而将底平面划分为k×k的像元，根据投射到各个像元内的点的数量，以某一密度为限判定其有效性。统计有效像元数量T，则树冠体积为T个k3之和。经试验，当k等于冠径1/10时，计算值达到稳定。该算法可以忽略树冠形状导致的主观估算失误，直接根据三维扫描获取的点云数据科学计算树冠体积。如此一来，三维扫描工作中的副产品——树木点云，便可以作为植被生长情况的定量依据被记录，从而不断充实整体信息库的内涵。

4 结语

相较于传统测量方式，三维激光扫描和近景摄影测量技术除了无接触无损伤、快速、准确、全面之外，还具有连续性的优势，表现为对对象不规则缺陷和变形的测控，包括构件倾斜、鼓胀、凹陷、损坏等，因而特别适合于较复杂的非欧几何体块。这种特性与中国古典园林中以自然石材为主体构建的池岸、假山等部分恰相契合，极大地弥补了传统测绘手段在面对这部分内容时的技术短板，无论从古典园林信息记录的角度，还是新兴量测技术适用对象的扩展方面来看，都是非常重要的学科交叉增长点，因而有必要围绕这一课题展开更多的实验与探讨，从而使新的技术更好地服务于遗产保护与人才培养。

[1] 田 佳，黄先锋，郭 波，等.大型景观测绘中激光扫描的精度控制[J].测绘标准化，2012(2)：35-37.

[2] 赵国强.基于三维激光扫描与近景摄影测量数据的三维重建精度对比研究[D].焦作：河南理工大学，2012.

[3] 王 研，张晓林，李晓飞，等.影像密集匹配技术辅助三维激光扫描仪对点云的提取[J].测绘技术装备，2014(4)：81-83.

[4] 郑建冬.基于单数码相机的三维摄影测量理论与关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[5] 李天子，邹友峰，刘昌华.回转多基线数字近景摄影测量文物建模研究[J].河南理工大学学报，2013(4)：441-444.

[6] 韦雪花，王永国，郑 军，等.基于三维激光扫描点云的树冠体积计算方法[J].农业机械学报，2013(7)：235-240.

On the drawing expression of rockery and pond in a classical Chinese garden and point cloud of 3D laser technique★

Yu Mengzhe Lin Xi

(CollegeofArchitecture,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China)

As the main part of a classical Chinese garden, the rockery and pond’s profile could hardly been accurately measured and clearly expressed. Thus it takes the rockery of Huanxiu Villa and Couples retreat Garden as example, discuss the new measuring methods such as 3D laser scanning and close-range photogrammetry’s application prospect in the future surveying works all around the classical gardens, for reference.

the profile of rockery and pond, non euclidean geometry, 3D laser scanning, close-range photogrammetry

1009-6825(2016)30-0197-02

2016-08-16 ★:陕西省教育厅专项课题成果(课题编号：14Jk1430)；陕西省教育厅专项科研计划“三维激光扫描技术在中国古典园林信息采集中的应用研究”成果(项目编号：6040500928)

喻梦哲(1984- )，男，讲师； 林 溪(1984- )，男，在读博士

TU986

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