基于三维激光扫描技术的人防工事模型重构与应用分析

王 敏，杜伟吉，段 伟

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

20世纪60年代末，出于国防建设的需要，南京市在古城墙内部修建了大规模的人防工事，它们是南京特定历史时期的产物，是具有一定历史见证价值和重要纪念意义的近现代遗产，同时也是南京城墙的一大特色，有着较高的保护和利用价值。

南京城墙内部人防工事由于未加利用，废弃多年，政府已准予报废，普遍存在较严重的病害风险。因此，需对南京城墙人防工事进行科学调查研究、勘探测绘、风险评估、保护设计、安全监测、合理利用等一系列活动，以尽快排除南京城墙的安全风险，并为后期城墙整体保护设计提供基础数据，进一步规范和提升南京城墙的文化遗产保护管理水平，为申报世界遗产工作提供切实保障。

三维激光扫描技突破了传统单点精确测量的局限，可以大面积地获取被测对象表面的三维坐标数据，具有连续、快速、非接触、自动、全天候工作等优势。人防工事狭长且内部环境恶劣，对其保护利用需要提供丰富多样的基础资料和成果。本文以某段人防工事为例，研究三维激光扫描的工作流程，并以点云数据为基础进行三维模型的重构和测绘图的制作，完成对点云模型质量的分析评价。

1 人防工事三维激光扫描的工作流程

人防工事的三维激光扫描的实施过程包括前期准备、外业数据采集、内业数据处理、成果数据展示与分析4个阶段。

(1) 前期准备阶段。人防工事长期未使用、封闭未开启，针对项目具体情况，在项目实施开始阶段进行项目整体规划，主要进行作业区域资料收集，包括规划图、历史资料等，而后进行作业区域踏勘、线路规划设计等前期准备工作。

在数据采集前，要对整个人防工事进行区段划分，以人防工事分布作为划分原则进行扫描区段分块。采集人员在作数据采集和记录时，要将对应的采集数据、现场草图、控制点等分块记录到数据记录表中，以便数据能及时管理和组织。

(2) 外业数据采集。对于外业数据采集，制定详细的外业数据采集作业规范。针对本文项目实际情况，采用P40扫描仪采集、测距仪或钢尺数据采集及外业调绘补采(相机采集纹理)多种方式，保证外业采集数据的完整性。

(3) 内业数据处理。对于激光点云数据内业处理，实现点云数据高效预处理工作，并利用获取的控制点数据完成点云拼接。通过切割点云，将点云切片在AutoCAD中绘制人防工事的测绘图，并在此基础上利用3ds Max进行三维模型的生产。在点云内业数据处理方面，严格按照数据处理作业流程和质量检查规范执行，确保项目实施工期可控、最终成果质量可控。

(4) 成果数据展现与应用。处理好的人防工事三维模型成果数据须与城墙三维模型进行融合和展示，保证模型的数据格式、成果精度满足要求。

2 人防工事三维数据采集

外业数据采集是三维建模的数据基础，人防工事的外业采集包括P40扫描仪点云数据采集、未扫描耳室的特征点线采集、纹理照片采集。在采集过程中，严格按照数据采集规范进行，具体采集流程包括控制测量、扫描站布设、标靶布测、点云数据采集、纹理图像采集、外业数据检查、数据导出备份。

在扫描时，属于小区域目标物扫描，通过标靶进行拼接闭合，在扫描区域的人防工事出入口处，布设控制点，并与外部已有控制点联测，建立与已有空间参考系的联系。

对于人防工事的主干道使用P40扫描仪进行外业采集，扫描站应设置在地面稳定的安全区域，在扫描区域内宜均匀布设且设站数目尽量少，在耳室比较多或结构比较复杂、通视比较困难时可适当增加扫描站且扫描站尽量放置在耳室附近；对于未扫描或扫描不完全的耳室、联络通道等，量取耳室特征点、线信息。标靶应在扫描范围内均匀布置，且高低错落；本段人防工事每一扫描站的标靶个数为4个，相邻两扫描站的公共标靶个数为2个。

利用徕卡P40扫描仪采集城墙人防工事通道中各类地物的三维激光点云(如图1所示)和获取的耳室、联络通道的特征点线数据，作为原始数据存储入库，同时作为构建城墙内部人防工事三维模型的基础数据。检查点云数据覆盖范围的完整性、标靶数据完整性和可用性，对缺失和异常数据及时进行补扫。用高分辨率的相机进行拍照，提供纹理贴图数据，采集图像时应绘制图像采集点分布示意图。

3 内业数据处理

内业数据处理主要包括原始数据预处理、精细化三维模型生产及细节数据调绘填充。

(1) 通过数据预处理软件(Cyclone)完成点云去噪、拼接、合并、抽稀等处理，输出带坐标的点云。

(2) 根据配准后的点云成果数据，通过3ds Max将人防工事通道、耳室、门等三维模型要素数据空间信息按照项目标准提取出来，输出得到人防工事三维模型成果。

(3) 对于建模得到的人防工事三维模型成果，由于存在部分点云被遮挡(如扫描仪架设位置)或部分特殊属性无法采集点云(未单独架站扫描的耳室)的情况，部分细节信息需进行相应的外业人工补充调绘，然后在三维建模过程中将对应细节予以补充完整，最后形成精细化的三维模型成果。

4 人防工事测绘图制作

人防工事属于古代建筑遗址，一般需要绘制立面图(正视图)、平面图和剖视图(如图2所示)。平面图表现空间物体在水平面上的正投影。本文将人防工事点云数据通过坐标格网制作切片，将切片导出到AutoCAD绘制人防工事的水平剖视图，并与所在区段的城墙边界线叠加显示。立面图表现人防工事的高低走势和耳室分布情况。剖视图主要表现人防工事变化区段的横断面结构。

5 精细三维模型的构建

(1) 点云管理。将点云格式转换为3ds Max可识别的点云格式，点云加载后可以自主选择渲染模式，渲染颜色根据点的密度分布来对颜色进行均匀渲染。利用限制长方体功能可以在视图区域内显示点云包围盒，利用点云包围盒对点云进行裁切，裁切可以选择X、Y、Z3个方向，裁切的位置和厚度用户可以自行控制。

(2) 构建粗模。基于点云绘制轮廓线数据，构建得到构筑物粗模。对于缺失点云的部位，通过绘制的DLG数据，在3ds Max中自动参照加载到内存中的点云对视图中选择的DLG数据拉伸粗模。

(3) 构建精细模型。利用3ds Max自身提供的建模工具，可以快速构建完成建筑物的精细模型。点云和模型叠接对比，检查模型质量。

纹理贴图应以外业采集数码照片为参考，经过统一配色后，建立纹理库。无法采集照片的区域可参考远景照片、相邻区域照片等资料酌情贴图。采集照片时，对材质变化区域、病害突出区域要重点采集；对变化不大的区域，可统一贴图。模型接边处理按照西、南交边，东、北接边。相邻接边应采用“捕捉”方式，模型应精确连接，既保证图形、几何位置的接边，也要进行属性接边,纹理接边要符合纹理色差的要求。测区模型作业时间有先后，但接边一律按规定的调绘截止时间的要素现状为准。无法接边时，应将问题记载下来。

3ds Max具有强大的脚本编程能力，其内嵌的MaxScript脚本语言可以完成绝大部分数据检查和数据批量处理功能。本文项目完成了属性合法性检查、图形合法性检查、材质合法性检查如图3所示。

6 点云数据质量评定

点云数据的误差来源主要包括外业数据扫描和内业数据处理两个方面。

(1) 外业扫描误差δ外主要包括仪器测角误差、标靶获取精度误差和受扫描环境条件的影响带来的误差。本文项目采用徕卡P40扫描仪，利用定制4.5′标靶，50 m处标靶的标称获取精度δ标=±2 mm。本次人防工事的扫描距离在10～20 m左右，因此标靶获取精度δ标远优于±2 mm。扫描仪的测角误差对点位精度的影响可用下式计算

δ角=δ中D/ρ

式中，δ中为测角中误差，P40扫描仪在扫描距离为50 m时，其理论精度值为±8″；D为测站点与被量测点之间的水平距离；ρ=206 265。本次扫描测站位置均在人防工事20 m以内，因此本次扫描的测角误差对离散点云的点位精度的影响δ角<0.78 mm。

(2) 内业数据处理误差δ内包括点云数据的拼接误差、点云数据形式的转换误差、模型的曲面拟合误差。选用的模型重构方法不同，其产生的误差结果也不同。本文主要考虑点云数据的拼接误差。本段人防工事工架设20站，选择20个控制点进行点云拼接，最大拼接误差为δ拼=±4 mm。

7 结 语

本文针对人防工事的特点，探讨了利用三维激光扫描技术获取人防工事点云数据的方法，制作了详细内外业工作流程，并对最终的点云数据质量进行评定，最大误差为4.54 mm，满足规范要求。利用完整的点云数据制作人防工事测绘图，可为人防病害探测、安全评估、后期治理提供基础测绘数据。

三维激光扫描技术获取和处理的人防工事数据种类多、数据量大，不便于查看、检索、利用，构建人防工事数据成果管理系统能够提高管理能力和文物保护水平，让人防工事“活”起来。