三维激光扫描仪在长城保护修复中的应用

2017-03-12曹文民林亚卫

河北地质 2017年3期

曹文民代路刘瑞林亚卫

(1.河北省水文工程地质勘查院石家庄 050021；2.秦皇岛山海关文物局秦皇岛 066200)

1 引言

长城作为世界七大奇迹之一，对于考古、文化、旅游具有重要的历史和现实意义。然而，随着时间的积累、风雨的侵蚀，长城的损坏日趋严重。随着对文物保护认识的不断加深，长城的保护修复工作逐渐被人们所重视，而在长城保护修复工作中，传统的文物测绘手段存在效率低且成果不直观等缺点。通过三维激光扫描技术可快速获取被测物体表面三维坐标、反射率和色彩信息，根据三维点云建立精确的三维模型，为长城保护修复工作的三维测绘和逆向建模提供了新的解决思路。

2 工作流程

三维激光扫描仪的作业流程主要包括实地踏勘、站点及标靶位置设计、数据采集、数据处理与建模、模型应用等步骤，流程图如图1所示。

图1 三维激光扫描仪工作流程图

2.1 实地踏勘

扫描目标物为长城的烽火台，位于山脊顶部，两侧均为峭壁。由于烽火台内部结构复杂，瞭望口较多，且有一弯曲台阶通向顶部，采用传统测量手段工作量大，且容易丢失一些细节信息，采用三维激光扫描仪进行扫描、拍照，可同时获得烽火台的几何尺寸和纹理信息(照片)。

烽火台实现场情况照片

2.2 站点及标靶位置设计

烽火台东西两侧为陡崖，南侧为陡台阶，北侧台阶较缓。根据现场情况制定了烽火台外侧采用倾斜摄影技术，内部采用三维激光扫描仪进行数据采集，内、外采用统一坐标系统，保证后期数据能够套合。

根据制定的采集方案，结合现场情况，在烽火台北侧长城墙体上不同高度设置三个球形标靶与外侧倾斜数据建立联系。由于烽火台内部结构复杂，首站、末站采用绝对坐标标靶，中间站采用站间公共标靶进行相对定位，最后与首末站数据根据站间公共标靶进行拼接，纠正到统一坐标系统中。

首先在保证全面扫描内部结构的条件下，尽量少设站的原则，对测站进行设计；然后对公共球摆放位置进行设计，保证每两站间至少3个公共球，便于不同站间数据的拼接，测站及标靶设计位置见图2。

图2 测站点及标靶位置分布图

2.3 数据采集

为了满足后期对模型精细化测量的需要，此次扫描精度设计为高分辨率，能够实现对破损砖缝长度、宽度的量测。每站扫描时画好站点与标靶的示意图，便于后期数据处理时模型的拼接。每站扫描完成后，进行拍照，采集影像信息，后期赋值给点云，便于模型识别和还原模型的真实性。采用RTK对外部球形标靶进行位置测量，使最终模型与倾斜量获取的模型统一到同一坐标系中。

2.4 数据处理及建模

数据采集完成后，内业首先应用Clyclone软件进行点云噪声点去除。噪声产生的原因包括仪器和环境的影响，噪声的存在不仅增加了电脑的处理难度还降低了点云数据的质量，更会影响模型构建的精度。本次采用目视和软件相配合的方法进行噪声去除。去噪完成后根据相邻站点间的公共标靶进行不同站点间点云数据的拼接，站与站间拼接精度均优于1 mm，最后根据首末站绝对坐标标靶对模型进行绝对定位，最终形成具有绝对空间坐标的整个烽火台的三维点云模型。