三维激光扫描在文物建筑测绘中的应用

2017-09-06李莎莎焦元冰

海峡科技与产业 2017年8期

关键词：三维激光扫描应用

李莎莎+焦元冰

摘要：作为一种新型的测绘技术，在文物建筑测绘中，三维激光扫描在其中发挥了重要的作用。本文就三维激光扫描在吴山石佛院建筑测绘中的应用进行简要的分析。

关键词：三维激光扫描；文物建筑测绘；应用

0 前言

石佛院，位于杭州吴山风景区，在院内依山镌刻有五尊石佛，开凿于五代吴越国时期，为杭州市内现存最大的石刻造像，具有较高的艺术价值、研究价值和文物价值，1992年被列为杭州市级文物保护单位。下文就三维激光扫描在其中的应用进行探讨。

1 三维激光扫描的工作原理

三维激光扫描技术可以快速、高精度获取地形及复杂物体的表面的三维点云数据。其工作原理是：通过激光反射这一装置，扫描仪对目标进行激光发射，通过对扫描仪内置的计时系统进行充分的利用，就可以测出激光发射和接受的时间差，从而计算出相应被测点和扫描仪间的距离。根据以下两个方向的角度值，一个是水平方向；另一个是垂直方向，就能将被测点的三维坐标数据进行测算，然后将点云数据进行储存，将其输入计算机的存储设备之中。再对这些数据进行处理，就能得到实体的三维几何模型。

2 主要优势

（1）高精度：三维激光扫描技术在作业过程中人为干预比较少，尤其在数据采集阶段，极大的减少了人为因素产生的误差，且其本身的测量精度可以达到毫米级。

（2）非接触式：三维激光扫描技术采用非接触式激光测量方式，对目标物进行扫描，获取其表面的三维坐标信息。因此避免了在测量过程中对目标物造成的接触式损害。

（3）高效率：对于三维激光技术来说，每秒能采集百万个点以上的数据，可以快速的完成外业采集工作，相对于传统的外业数据采集速度提高了数倍。

由于三维激光扫描技术有着高精度、非接触式、高效率、直观性强等优点，在文物保护领域之中，该技术将会发挥较大的作用。

3 该技术在吴山石佛院建筑测绘中的应用

3.1 确定工作内容

石佛院造像现状测绘的工作内容包括：

（1）通过对石佛院造像及其所赋存岩体进行三维激光扫描，并将点云数据进行拼接、去噪、抽稀、统一化等处理，制作造像正射影像图、平面图。

（2）利用处理好的点云数据，建立不规则三角网模型，利用模型制作立面图、剖面图。

（3）通过对模型进行纹理设置和贴图等处理，制作真彩三维模型。

（4）最后把真彩三维模型导入引擎，制作动画和虚拟互动应用程序。

3.2 技术设计思路

本项目将综合运用三维激光扫描、GPS-RTK测量、数字地形测绘、精密工程测绘、数字摄影测量以及虚拟现实（VR）等技术手段，提供丰富的测绘成果，为文物保护与研究提供了详细的资料。总体技术流程图如下图所示。

3.3 三维激光扫描

第一步：根据佛龛形状及周边树木等遮挡物的位置，对测站点的位置以及标靶位置进行科学合理的选择。本次测绘共计布设了13个测站，在这之中，有10站是针对整个石壁进行的扫描，至于剩下的几站，则主要是对石佛院整个院子进行的扫描。设站方式主要是运用任意设站的测量方式，也就是每站都是独立坐标，各站之间的点云数据，则是通过标靶拼接成一个统一的独立坐标系，然后实测三个标靶的杭州坐标系坐标，把拼接后的坐标系归算到我们使用的平面直角坐标系中。

第二步：本次使用的标靶为3"标靶，为了使点云配准的精度得到确保，标靶的布设有着一定的规范，要布设在不同的高度以及不同的平面位置。在测站上扫描3个以上标靶，并对标靶扫描信息进行实时检查，使标靶扫描的正确性得到有效的保障。

第三步：采用高分辨率扫描和合适的扫描范围，并采用外置相机，来对全景影像进行拍摄，以便得到完整点云数据。

3.4 点云数据处理

第一步：采用徕卡公司的配套处理软件Cyclone对点云数据进行预处理与配准。将外业采集的数据进行导入，通过公共标靶点，可以实现各站数据的拼接。对于拼接完成的点云数据，我们再对其进行统一的处理。

第二步：由于三维激光扫描仪在采集数据时，其扫描范围较广，会包含所有地的所有信息，这样一来，就会采集一些没有用处的数据，若不对这些数据进行清除，就会对后期的点云建模产生重要的影响，故此，一定要将这些噪点进行去除。但是从Cyclone这款软件的功能上来看，能够没有自动去噪的这个功能，因此只能依靠人工的手段，来一点一点的去除噪点。通过软件的切片功能，将点云切成一定宽度的片状显示，并设置一个好的视角，从几个不同的视角中选择和检查操作的点云，以免意外的删除掉前面或背后的有用的点云。

第三步：去噪完成后，整个崖壁的点云数据仍然是非常庞大的，所以需要对点云数据进行切割，获取各龛与各佛像的独立点云数据。以便后期的协调作业，提高工作效率。

3.5 三维建模

第一步：将处理后的点云数据进行整理，然后将其导入到Geomagic这款软件之中。

第二步：将导入的点云进行着色处理，使其能够更好地显示点云，接下来再进行一些几种操作：（1）非连接项；（2）去除体外孤点；（3）减少噪声；（4）封装等。

第三步：首先，将封装的对像数据进行流行操作，再对其进行填充孔的处理；用砂纸打磨多边形，将一些凸起的特征，或多余特征进行去除，再对多边形模型进行松弛操作；其次，對相交区域进行修复，对于一些不规则三角形数据进行去除，最后，围绕各处边界来进行操作处理。

3.6 存在的问题

三维激光扫描虽然可以对造像的三维模型进行逼真的重建，可以对造像的坐标信息进行快速的获取，但是这种技术也存在着或多或少的问题

（1）由于造像相对来说较为复杂，在对数据进行采集时，往往会存在测量“死角”，例如，在造像的顶部与石壁连接处，或者是造像被树木遮挡处等，所以根据点云建立起的三维模型，就会呈现较多的表面空洞，而要想处理这些空洞，则需要工作人员进行手动修补，这样一来，就在一定程度上影响了建立的模型精度。

（2）在点云去噪时，主要是采用人工去噪的这一方法，这种处理手段有可能会把正确的点云删除。特别是当石壁上存在一些杂草时，这些点云数据就很难进行处理，因为它们会紧贴着石壁，很难根据噪点数据的以下几种特性来进行删除，一种是非连续性、另一种是离散性等，从而影响了建立的模型精度。

4 结语

由于篇幅受限，本文重点对三维扫描技术进行了讲述，至于立面图的绘制以及正射影像图的制作等都没有进行讲述。随着科学技术的不断发展，三维激光扫描技术也取得了不断的发展，它的出现创新了文物建筑测绘的方法，会为我国的文物保护工作提供重要的助力。

参考文献