基于三維激光掃描技術(shù)的大型古建筑精細(xì)三維重建

張鍵，董玉華

(1.河南省測繪工程院，河南鄭州450000;2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院，河南鄭州450000)

文物測繪是文物保護(hù)工作的基礎(chǔ)和前提工作。隨著人類活動的日益影響，許多重要古建筑文物遭到不同程度的破壞。對文物進(jìn)行三維重建是文物保護(hù)的有效手段。我國古建筑測繪，常常是采用標(biāo)尺、標(biāo)桿手工測量，這種方法精度低、無明確的精度指標(biāo)，并會對文物造成一定程度損壞。隨著非接觸性測量方法——近景攝影測量技術(shù)的發(fā)展，這種測量方式也逐步運用到古建筑保護(hù)中。但是這種方法并不能直接獲取目標(biāo)物的幾何信息;受攝影時光線不均勻的影響，文物的細(xì)節(jié)方面并不能得到完整的表達(dá);在對目標(biāo)物進(jìn)行控制測量時，布設(shè)在文物上的一些控制點仍會對其造成一定程度的破壞［1-4］。隨著計算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)以其非接觸測量、數(shù)據(jù)采集效率高等獨特的技術(shù)優(yōu)勢，開始在古建筑的數(shù)字化保護(hù)與復(fù)原中扮演重要的角色［5-6］。本文以某大型仿古建筑為例，利用三維激光掃描和近景攝影測量技術(shù)對其進(jìn)行三維重建。

1 地面三維激光掃描的基本原理及技術(shù)優(yōu)勢

地面三維激光掃描(Terrestrial 3D Laser Scan)是一項集光、電、計算機(jī)等的高新技術(shù)，掃描原理是依據(jù)測量激光束從發(fā)射到返回所用的時間算出距離觀測值S，精密時鐘控制編碼器保證激光掃描能夠同步地測量出橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ［7］。

圖1 地面三維激光掃描系統(tǒng)掃描原理

激光掃描數(shù)據(jù)中所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是儀器自定義的三維坐標(biāo)系(見圖1［7］):坐標(biāo)原點位于激光束發(fā)射處;Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi)，向上為正;X軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與Z軸垂直，且垂直于物體所在方向;Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，且與X軸、Z軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系，同時Y軸正方向指向物體。由此可得到激光腳點坐標(biāo)的計算公式為:

式中:S是點P到激光掃描儀的空間距離;α是橫向掃描角觀測值;θ是縱向掃描角觀測值。

三維激光掃描的原理決定了與傳統(tǒng)單點測量方式不同，三維激光掃描系統(tǒng)每秒鐘以幾萬點的數(shù)據(jù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以快速地獲取物體表面的幾何信息，直接生成高密度的點云數(shù)據(jù)。其具有以下幾種優(yōu)勢:非接觸性測量(不會對文物造成損害);精度高，數(shù)據(jù)量豐富;速度快，能夠全天候工作;數(shù)據(jù)全面，易加工。

2 三維激光掃描的工作流程

三維激光掃描的工作流程一般分為三個步驟:擬定作業(yè)計劃，數(shù)據(jù)獲取和點云數(shù)據(jù)處理。在具體實施之前應(yīng)制定詳細(xì)的作業(yè)計劃，主要包括:根據(jù)掃描對象的特點和精度要求，設(shè)計合適的作業(yè)路線和測站數(shù)，確定合理的掃描距離和采樣密度等。數(shù)據(jù)獲取階段包括點云數(shù)據(jù)的采集，紋理信息的獲取等。點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后期數(shù)據(jù)處理的效果，因此在數(shù)據(jù)獲取階段還要初步驗證點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理階段主要是點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、構(gòu)建網(wǎng)格、三維重建等過程［9-10］。數(shù)據(jù)處理階段較為費時、復(fù)雜，在海量的點云數(shù)據(jù)中要提取有用的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)處理人員的技術(shù)要求相對較強(qiáng)，不僅要掌握相關(guān)的測量知識，還要掌握專業(yè)的三維建模軟件，甚至還要具備一定的軟件開發(fā)能力。

3 三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 獲取點云數(shù)據(jù)

以仿古建筑某大學(xué)校門為例，本次掃描采用Leica ScanStation2三維激光掃描儀和Cyclone6.0配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于被測物體較大，掃描時采用多測站對目標(biāo)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整個掃描過程共設(shè)置21站，12個標(biāo)靶，目標(biāo)物上的石雕采用1 mm采樣密度，其他結(jié)構(gòu)采樣點密度為5 mm。為了保證拼接精度，每站掃描應(yīng)保持10%以上的重疊度，利用掃描儀可識別的標(biāo)靶作為相鄰點云數(shù)據(jù)的公共控制點，最終拼接精度為1～5 mm。某大學(xué)校門的整體拼接效果如圖2所示。

圖2 建筑物整體拼接效果圖

3.2 三維建模

點云模型和各類線畫圖能在一定程度上真實表達(dá)目標(biāo)的空間形態(tài)特征，但它們的表達(dá)能力有限，要描述目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，還需要構(gòu)建精細(xì)的TIN模型［10-11］。在建立目標(biāo)物的TIN模型時，需要進(jìn)行去噪處理、統(tǒng)一采樣、構(gòu)建格網(wǎng)、填補(bǔ)空洞和紋理映射等一系列技術(shù)手段。

(1)去除噪聲點:三維激光掃描儀所得到的原始點云數(shù)據(jù)，是一個分布散亂的空間數(shù)據(jù)集合。在掃描過程中，激光設(shè)備的抖動、激光散射等原因會造成無用數(shù)據(jù)，即噪聲點。噪聲點不僅會占用存儲空間和計算處理時間，還會對建模精度造成嚴(yán)重影響。因此，對獲取的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，是模型重建前的重要步驟。某大學(xué)校門去噪后的點方數(shù)據(jù)效果如圖3所示。

圖3 去噪后的點云數(shù)據(jù)

(2)統(tǒng)一采樣:地面三維激光掃描儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時采用分站式掃描，因此相鄰兩站在掃描過程中會有一定的重疊區(qū)域，在數(shù)據(jù)拼接過程中會造成數(shù)據(jù)重疊，造成數(shù)據(jù)冗余。此外，目標(biāo)物離掃描儀的遠(yuǎn)近也會對點云密度造成影響，隨著掃描距離增加，數(shù)據(jù)點的密度逐漸減小。因此有必要在不影響數(shù)據(jù)精度的情況下，對點云數(shù)據(jù)設(shè)置某一閾值進(jìn)行重采樣。重采樣后的點云數(shù)據(jù)將大大提高計算機(jī)的運算效率。某大學(xué)校門統(tǒng)一采樣后的點云數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖5 鏡像修復(fù)后效果

(4)紋理映射:紋理映射的主要目的是建立三維幾何模型與影像之間的紋理關(guān)系，即建立幾何模型上各三角形頂點與影像像素之間的對應(yīng)關(guān)系［13］。利用數(shù)碼相機(jī)將獲得的影像上的紋理賦給三角網(wǎng)模型，生成具有真實紋理的三維模型。在獲取目標(biāo)物的紋理信息時，由于圖像不是正射圖，因此照片的變形會導(dǎo)致紋理信息與實際信息出現(xiàn)偏差。首先對照片進(jìn)行處理校正，轉(zhuǎn)化為正視投影圖，再進(jìn)行紋理映射，紋理貼圖偏差會得到明顯改善。某大學(xué)校門的局部紋理映射效果如圖6所示。

圖6 局部紋理映射效果圖

(5)DLG產(chǎn)品制作:線劃圖件(DLG)是建筑文物傳統(tǒng)測繪的重要成果之一，包括平面圖、立面圖和剖面圖等，這些圖件可以直觀的表示建筑物尺寸、設(shè)計結(jié)構(gòu)等信息。利用Cyclone軟件中的CloudWorx插件將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中，利用CAD的強(qiáng)大繪圖功能為制作各類線劃圖提供快速方便的途徑。本文中某大學(xué)校門的各類效果如圖7所示。

圖7 建筑物各類效果圖

4 結(jié)論

本文以仿古建筑某大學(xué)校門為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)的大型古建筑精細(xì)三維重建，充分發(fā)揮了三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，全面準(zhǔn)確地獲取該建筑物精細(xì)的三維空間數(shù)據(jù)，最終給出該建筑物的三維效果圖和線框圖，并總結(jié)了實際操作過程中解決的一些問題:

(1)在數(shù)據(jù)采集階段，由于目標(biāo)物表面過于復(fù)雜，三維激光掃描系統(tǒng)無法完全準(zhǔn)確地獲取其表面信息。需要利用近景攝影測量技術(shù)對某些缺失細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充，得到較為完整的幾何數(shù)據(jù)。

(2)在數(shù)據(jù)拼接過程中，隨著各掃描測站拼接次數(shù)的增加，點云的誤差隨之疊加且急速放大。因此，應(yīng)設(shè)置合理的測站數(shù)，盡量減少拼接次數(shù)并提高拼接精度。

(3)三維激光掃描儀能夠獲取建筑物完整的幾何信息，但無法獲取完整、準(zhǔn)確的紋理信息。在實際操作中，將三維激光掃描儀和高精度數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合，能夠?qū)⒐沤ㄖ娜S模型得到完整表達(dá)。

(4)在紋理映射過程中，會出現(xiàn)貼圖方向與法線方向夾角較大的情況，由于圖像分辨率有限會出現(xiàn)紋理的拉伸，使紋理失真。再處理過程中，先將圖片轉(zhuǎn)換為正視投影圖，再進(jìn)行紋理映射，紋理偏差會得到明顯改善。

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