基于三維激光掃描技術的古陵墓可視化

侯 飛，胡召玲，劉 晴

（1.江蘇師范大學 測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇師范大學 城市與環境學院，江蘇 徐州 221116；3.武漢大學 資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079）

當前古陵墓的保護與宣傳日益受到人們的重視，為有效保護古陵墓資源，提升其保護管理水平，實現數字化、網絡化管理，迫切需要開發古陵墓三維計算機仿真和可視化系統。三維可視化系統將采集到的數據進行可視化建模，以三維圖形或動畫效果方式顯示，與3S技術相結合可對數據進行三維可視化分析，不僅可為古陵墓的管理、旅游資源宣傳、游客等提供管理、查詢和信息發布平臺，還可為人們進行考古研究、考查和科普教育提供便利條件。古陵墓測量數據是三維景觀建模和可視化必不可少的基礎數據，其準確度、精度和詳細程度直接影響三維數據的質量和可視化系統的應用價值。古陵墓大都處于地下巷道和硐室，利用傳統的測量儀器如GPS、全站儀和水準儀不僅很難在墓道里施工測量，還要花費大量的人力、物力，占用大量的時間，影響景區的旅游參觀，因此需要發展新的測量技術用來獲取古陵墓的空間數據。三維激光掃描系統是一種新興的三維坐標測量系統，它集成了多種高新技術，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式快速獲取被測對象表面陣列式幾何圖形的單位數據。它的核心部分是三維激光掃描儀，具有非接觸性、快速性、主動性、數據采集的高密度性、方便操作及攜帶等特性［1］。目前已被應用于古建筑保護［1－2］、建筑物的三維建模［3－4］、開采沉陷盆地的獲?。?］、海底隧 道的安 全監測［6］、林木測量［7］、工程監理測量［8］等方面。三維激光掃描技術如同對真實場景進行復制而獲取測量數據，數據的可靠性高［8］。本文以徐州市獅子山楚王陵為例，基于Leica HDS公司的ScanStation C10三維掃描系統，提出了基于三維激光掃描技術的古陵墓可視化技術流程，研究了古陵墓空間數據獲取與處理、三維景觀建模與可視化實現的方法。

1 研究區概況

楚王陵是徐州市獅子山楚王陵風景區的核心景點，它是西漢早期分封在徐州的第三代楚王劉戊的陵墓，位于其西側300m遠的漢兵馬俑則象征著衛戍楚王陵的部隊。它位于徐州市東三環附近獅子山南麓，交通便利，環境優美。楚王陵鑿石為室，穿山為葬，墓室嵌入山腹內深百余米，規模龐大，氣勢恢宏，建筑結構奇特。墓室的形制和結構也極力模仿現實中的地面住宅，墓道兩側有12間總面積為850m2的地下墓陵，墓道盡頭有間墓室里存放楚王銅像和各種古代娛樂設施，墓道出口處地面上用網架結構建成大型仿古式建筑。

2 技術流程

整個技術流程分為古陵墓外業數據采集與處理、三維景觀建模、三維可視化3部分，具體如下：利用三維激光掃描儀獲取研究區的外業測繪三維點云數據，在三維激光掃描系統的數據處理與建模軟件Cyclone7.0中，對點云數據進行去噪、配準、拼接等預處理后，基于點云數據生成古陵墓表面的不規則三角網（TIN）；將TIN導入三維建模軟件Google SketchUp中，依照楚王陵各景觀的實際形狀、尺寸和表面結構對其進行幾何建模，再賦以真實的模型材質，形成古陵墓三維景觀模型，將古陵墓模型與利用等高線生成的真實感地形和附屬設施相疊加，構建完整逼真的古陵墓三維景觀模型；將三維景觀模型分批導入虛擬現實軟件Lumion 3D中，實現三維景觀的可視化。技術流程如圖1所示。

3 數據獲取與處理

3.1 點云數據獲取

利用Leica HDS ScanStation C10掃描系統進行楚王陵外業數據采集和預處理，在保證掃描精度的同時，為了減少工作量和數據冗余，應合理布設和選擇掃描測站的數目、掃描測站的位置、標靶位置和掃描測站的目標及掃描分辨率等。

根據墓道的位置及形狀等特點，此次掃描共設11個測站，每站設置4個球形標靶，以使在此后進行的模型拼接過程中，數據具有合適的重疊度，目標掃描的掃描點距設置為5cm。圖2是在其中的一個測站掃描所獲得的原始點云數據。

3.2 點云數據去噪和拼接

由于點云數據在采集過程中受到掃描系統、掃描環境等因素的影響，會產生許多噪聲，在對數據進行拼接前，先對各測站的掃描數據分別進行去噪處理，利用掃描系統的數據處理軟件Cyclone7.0進行去噪處理后，然后再對標靶數據進行拼接，楚王陵拼接后的點云數據如圖3所示。

圖3 拼接后點云數據

4 景觀建模與可視化

4.1 創建TIN和三維景觀模型

古陵墓中的建筑物、墓道、銅像等物體大多是不規則的幾何體，不能直接采用Cyclone軟件中常用的三維模型組件（如柱體、球體、管狀體、長方體等立體幾何圖形）進行古陵墓三維模型的構建。采用Cyclone軟件的TIN多邊形算法，由點云數據構建古陵墓的不規則三角形，生成TIN。

古陵墓三維景觀建模是按可視化的要求，虛擬呈現古陵墓中各景物實體，本文根據所生成的TIN，采用Google SketchUp軟件構建三維景觀模型。Google SketchUp是Google公司于2006年推出的方便易用且功能強大的極具特色的三維建模軟件，其界面設計簡潔，命令簡單，形成的模型為單面多邊形類型，能與Google Earth有機結合［9］。借助它的貼圖功能，可以快速建立非常逼真的三維景觀模型，在大場景建模中，它的優越性表現得尤為突出，特別適合于建筑物、園林等景觀的三維建模，通過SketchUp ESRI插件，還可以將SketchUp中的場景導入到ArcGIS中，開發出三維GIS系統。

楚王銅像是楚王陵中重要的景觀之一，形狀極其復雜，經三維激光掃描儀進行精掃描獲得大量點云數據，利用Cyclone軟件的TIN多邊形算法，利用這些點云數據構建出銅像的不規則三角形，生成TIN，共計48415個三角形。將TIN數據導入到Google SketchUp中，建立銅像的三維景觀模型。SketchUp中的建模過程包括幾何建模和紋理貼圖兩部分。幾何建模表達了景觀的幾何框架，就是根據景觀的位置、形狀以及高度信息構建建筑物的基本輪廓，紋理貼圖則是要在其表面或內部賦上紋理圖片使其更加真實，展現三維景觀的視覺效果。紋理圖片是到現場用高分辨率的數碼相機（1200萬像素）拍攝獲得，由于整個楚王陵中的景觀紋理圖片有幾百張，數據量達到GB級，為方便使用，須對每張圖片的數據量進行壓縮，大小進行適當調整。對于受景觀高度、拍攝距離等因素的影響所拍攝出的斜拍圖片，要通過仿射變換處理將斜拍圖片變換成直拍圖片。

先根據銅像的TIN數據進行幾何建模，構建其精細輪廓，然后將處理后的紋理圖片導入到Sketch－Up材質庫中，通過設置貼圖坐標調整貼圖的具體位置和尺寸，并利用曲面貼圖、包裹貼圖、吸管工具等高級貼圖方式調整貼圖效果。楚王銅像的三維景觀模型如圖4所示。

圖4 楚王銅像的三維景觀模型

4.2 可視化的實現

三維可視化是指將計算機處理和生成的三維數據在屏幕上顯示并進行交互處理的過程。人機交互不僅允許用戶指定屏幕上的物體，而且還可以通過鼠標或鍵盤移動、選擇等方式操作這些物體，以實現用戶在不同角度、不同方位、不同距離的情況下對其進行全方位的觀察與分析。

將在SketchUp中生成的三維景觀模型導入到可視化軟件Lumion中，實現古陵墓景觀的三維可視化，Lumion軟件是荷蘭ACT－3D公司于2010－12－01正式發布的建筑可視化軟件，它是一個實時的三維可視化工具，能夠提供優秀的圖像質量，并將快速和高效的工作流程結合在了一起，為用戶節省時間、精力和開發成本。通過該軟件，人們能夠直接在自己的電腦上從Google SketchUp、Autodesk產品（3DSMAX或者MAYA）及其它的3D軟件中將3D內容導入Lumion中創建逼真的虛擬現實環境，然后通過GPU高速渲染方式來生成高清電影，Lumion用更快的速度、更高的質量大幅降低了制作時間，并且可以用視頻播放方式展現作品驚人的可視化效果。

由于受計算機硬件設備的限制，在顯示大范圍、高精度的三維場景時，會出現屏幕停頓、卡屏、顯示緩慢等現象，為此，必須采用一定的技術方法解決上述問題，提高三維場景的實時顯示效率，本文采用無損壓縮三維數據信息量法來提高三維數據顯示速度。楚王陵入口處的視頻顯示效果如圖5所示。

圖5 三維視頻效果

5 結束語

基于ScanStation C10脈沖式三維激光掃描儀獲取徐州市獅子山楚王陵的三維點云數據，基于Google SketchUp軟件構建了三維景觀可視化模型，利用虛擬現實軟件Lumion 3D實現了楚王陵的三維可視化。結果表明：三維激光掃描技術作為一種新的測量手段和技術，能快速、有效地獲取古陵墓的高分辨率三維點云數據，在此基礎上，可構建精準的古陵墓三維景觀模型，并進一步開發出古陵墓的三維可視化系統。如何在保證掃描精度的同時，減少數據冗余，提高數據處理和三維景觀建模的效率，還值得進一步研究。掃描系統的數據處理軟件Cyclone7.0也存在不足，所生成的TIN數據不能直接導入到SketchUp軟件中進行景觀建模，還需要通過AUTOCAD軟件進行數據格式轉換，這樣增大了數據處理的工作量。

［1］周華偉，朱大明，瞿華鎣.三維激光掃描技術與GIS在古建筑保護中的應用［J］.工程勘察，2011（6）：73－76.

［2］劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用［J］.測繪工程，2006，15（1）：48－49.

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［5］陳冉麗，吳侃.三維激光掃描用于獲取開采沉陷盆地研究［J］.測繪工程，2012，21（3）：67－70.

［6］侯海民.三維激光掃描儀在青島膠州灣海底隧道的應用［J］.隧道建設，2010，30（6）：693－696.

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