基于地面激光点云数据的古建筑建模研究

梅东 史玉峰

摘 要：古建筑是广大劳动人民智慧与艺术凝聚的文明瑰宝，对古建筑进行保护、修缮、复原是文保主要工作之一。本文采用地面激光扫描技术获取南京城墙解放门部分表面点云，应用相关软件构建了解放门表面精细三维模型。

关键词：地面激光扫描; 古建筑测绘; 点云; 三维建模

中图分类号：P234           文献标识码：A     文章编号：1006-3315（2020）12-175-001

1.引言

古建筑是历史的沉淀与人类文明的结晶，是广大劳动人民智慧与艺术凝聚的文明瑰宝，承载着世界共同的记忆。地面激光扫描技术具有无接触、速度快、精度高等特点，在边坡监测[1-3]、桥隧测量[4]等领域得到应用，在古建筑测绘与保护方面也有应用[5-7]。本文拟选用地面激光扫描技术获取南京城墙解放门段的表面点云数据，建立解放门三维点云模型。

2.数据采集与预处理

点云数据采集通常分为现场踏勘、测站布设、建筑物扫描等三步。本次南京城墙解放门扫描路线为：解放门内侧（近玄武湖）-门洞-外侧，门内、外侧各设1个测站点，门洞内设置1个测站点，共3个测站。采用FaroFocus3DX330地面激光扫描仪为数据获取设备，仪器参数设置为：扫描分辨率为1/4，10m范围内点云间距6mm。

由于原始点云数据存在很多冗余数据和噪声，在三维模型构建之前，需要对点云数据进行预处理工作。预处理流程包括：

（1）点云数据拼接配准。本文采用最近邻迭代配准算法（ICP）对采集的点云数据进行拼接配准，拼接配准报告显示本次配准精度为4.5mm，少于配准限差6mm，表明拼接配准效果良好。

（2）点云数据去噪与滤波。点云滤波的方法主要有：高斯滤波、平均滤波和中值滤波。本文采用高斯滤波方法消除点云噪声。

（3）点云数据重采样。常用的点云数据重采样方法有：曲率采样、随机采样、等距采样。由于曲率采样方法能够保留大量细节特征，因此在处理复杂古建筑时，通常采用该方法。本文选用曲率重采样法，设置某一阙值进行，对公共区域进行合并，保留曲面数据。

3.点云建模

在点云数据建模前，需要对点云数据中的孔洞进行补缺。孔洞不可避免地出现在扫描点云数据中，其产生的原因主要包括：扫描过程中树木、行人、车辆等形成遮挡;待测物体表面吸光性较强;处理数据时操作失误导致点云数据被错误删除等。为了使模型完整化，需要对孔洞和缺口进行填充。缺口填充是利用缺口周边的三维信息，并与缺口构建拓补关系。多边形上的小孔洞可以利用平面填充法，大孔洞可以利用曲面填充法。

目前常用的点云数据建模方法有：几何建模、三角网建模和曲面建模。本文选用NURBS曲面建模方法构建点云三维模型，其具体步骤如下：

（1）构造轮廓线。计算曲率生成多边形的轮廓线，并将整体曲面分块成独立的曲面，以颜色区分。图3为构造的解放门轮廓线。

（2）曲面构造。在抽取完轮廓线后，进行松弛、细分轮廓线，进行曲面构造，并修复曲面片。图4为构造的解放门曲面片。

（3）曲面拟合。曲面片构造完成后，需要进行曲面拟合，将曲面片拟合成NURBS曲面。本次采用常数拟合方式，设置控制点为20，表面张力0.25，完成对解放门三维模型构建。图5、图6分别是解放门内侧、外侧曲面。

4.总结

本文应用法如Focus3D X330地面激光扫描仪获得的南京城墙解放门原始点云数据，并分析了点云数据预处理步骤，探讨古建筑点云建模方法，建立了基于地面激光扫描点云数据的解放门三维模型。

国家自然科学基金：大场景机载点云建筑语义建模（No.41971415）

参考文献：

[1]Ryan Alison Kromer. Identifying and Monitoring Rockfall Precursors Using Terrestrial Laser Scanning for Improved Rockfall Hazard Management[J]Current Forestry Reports，2019，5：155-168

[2]Emmanuel Moisan，Pierre Charbonnier，Philippe Foucher， Pierre Grussenmeyer，etc.Adjustment of Sonar and Laser Acquisition Data for Building the 3D Reference Model of a Canal Tunnel[J]Sensors，2015，15（12）：31180-31204

[3]Justin Craig McCarley.Using Repeat Terrestrial Laser Scanning and Photogrammetry to Monitor Reactivationof the Silt Creek Landslide in the Western Cascade Mountains[J]Journal of Archaeological Science，2017，14：758–773

[4]曹震，史玉峰.基于TLS的盾构隧道收敛测量研究[J]測绘工程，2019，1：42-46

[5]索俊锋，刘勇.基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模[J]测绘科学，2017，3：42-44

[6]陈斯亮.UAV航测结合三维激光扫描的古栈道测绘建模[J]测绘科学，2017，42（8）：152-156

[7]李俊宝，马世龙.基于点云数据的建筑物建模方法[J]北京测绘，2019，33（08）：895-898