某古建筑銅飾件鍍金面積量算復測實踐

中兵勘察設計研究院 北京 100053

摘要：逆向工程，三維掃描技術是近年來一項快速發展的新興技術。本文使用三維掃描技術在古建筑、文物保護方面的進行應用實踐及研究。為該技術在今后各領域的應用提出參考和借鑒。

關鍵詞：逆向工程；三維掃描；古建筑飾件；表面積測量

引言

古建筑文物是不可再生的資源，是人類文化遺產的寶貴財富。然而，由于長期風雨侵蝕，古建筑金屬構件的鍍金保護層污損嚴重，甚至局部脫落，大大影響了建筑的外觀，也使金屬構件存在進一步被腐蝕的危險，因此在古建筑保護中，需要對污損脫落金屬構件重新鍍金。

需要鍍金的金屬構件立體形態復雜，數量較多，表面積不易估算。而且黃金價格又非常昂貴，若鍍金面積測量結果出現偏差，將會使工程預算出現較大的偏差，也會造成極大的浪費。采用三維掃描技術，可以較為快速、方便地估算古建筑金屬構件的表面積。

如何檢驗三維掃描獲得的古建筑金屬構件表面積測量成果的可靠性和準確性，從而為工程造價預算、結算的準確性提供保證呢？下面是筆者在某古建筑金屬構件表面積量算復測項目中進行的實踐和探索。

1主要工作目標與內容

本項目的主要工作目標是，采用高精度三維掃描技術，精確獲得金屬構件鍍金區域的表面積，與原測量面積進行比對，進行復測檢驗。主要工作內容包括：

（1）獲取云數據：對金屬構件實施三維掃描，點云間距（三角面邊長）不大于0.1mm，點位（三角面頂點）精度不不低于0.05mm。

（2）拍攝照片：拍攝各金屬構件數碼照片，便于內業數據處理時參考使用。

（3）點云數據處理：數據檢核、降低噪音、點云拼接，建立各銅件點云模型。

（4）建立三角面模型：通過建模軟件，通過掃描數據及處理后的點云數據，經填補及修整，建立完整的三角面模型。

（5）表面積量算：利用三維模型軟件，精確量算表面積。

（6）復測檢驗：復測與原測量成果分析比較，檢驗原測量成果的可靠性和準確性。

圖1 待掃構件

2數據采集

2.1點云數據采集

2.1.1采集設備

本項目采用了三種掃描儀對待測物體進行三維掃描，分別使用柯尼卡美能達RANGE7固定式三維掃描儀、CREAFORM EXAScan手持式激光三維掃描儀，以及海克斯康便攜式關節臂三坐標測量機。各掃描儀主要參數分別為：

表1 Range7參數

鏡頭TELE450mmTELE800mmWIDE450mmWIDE800mm

XY方向測量間隔（mm）0.080.140.160.28

精度（μm）±40

誤差（Z，σ）（μm）4

注：本次項目采用TELE450mm鏡頭

表2 EXAScan參數

尺寸（mm）172 x 260 x 216

X、Y、Z 軸分辨率（mm）0.05

精度（um）-- 40

容量精確性（um）20 + 0.1 升/1000

表3 海克斯康Romer測頭參數

尺寸（mm）156 x 72 x 50

掃描測頭精度（mm）0.044

無插補最小點距（mm）0.10

每線最多點數640

2.1.2數據采集流程

1）現場準備

清理場地，保證掃描范圍內無雜物。準備好掃描記錄表，確認待掃構件的編號及原始成果編號。規劃掃描順序，保證外業掃描數據有序進行。

2）儀器校準

為防止儀器運輸過程中的震動對儀器的精度造成影響，使用儀器前，均需使用附帶的校準板及校準儀器等對掃描儀進行校準，滿足工程精度要求后，方可使用。

3）儀器架設及構件固定

高精度三維掃描對場地穩定性要求極高，掃描儀及待掃構件輕微的晃動就會對數據質量造成極大影響。在儀器架設及構件固定時，要求保證其在掃描過程中的絕對穩定。

圖2 構件固定

4）構件掃描

確認掃描順序編號及原始編號后開始掃描。掃描中儀器操作人員與數據接收人員密切配合，盡量使掃描點云滿足要求的密度和精度，并盡可能保證數據的完整性。

圖3 構件掃描

5）現場數據檢查處理及保存

現場檢查掃描數據，保證數據完整，無分層等不良現象。如數據合格，則按規則命名保存。同時做好現場記錄。

6）補充掃描

檢查過程中如果發現數據存在完整性或質量問題，及時進行補掃或重掃。

2.2拍攝參考照片

參考照片主要作為內業處理時的參考依據使用。拍攝要點是，用相機近距離多角度拍攝待測物體，遇到結構復雜或重點部位時，應增加照片數量，以對待測物體有全面的描述。

2.3內業數據處理及建模

Romer機械臂掃描輸出格式為點云，需先處理點云，封裝為三角面模型后繼續處理。Range7及EXAScan輸出為三角面模型，直接進行三角面模型處理。

2.3.1點云處理

刪除待測物體以外的無用點云，進行去除粗差及降噪處理。步驟包括：選擇并刪除非連接項；選擇并刪除體外孤點；降低噪點；將分步掃描或補掃的數據進行拼接，合成一個完整的點云數據；對點云數據進行統一或曲率采樣處理，去除冗余數據；將處理好的點云數據進行封裝，形成三角網格模型。

2.3.2三角網格模型處理

因結構形狀及躁點數據造成的模型缺陷及漏洞等，用填補小孔洞工具、網格醫生工具等，檢查、修復自相交、釘狀物等錯誤。提高模型完整度及還原度，盡量提高測量數據的精確度。

2.3.3模型數據復核

對完成的模型數據進行自我復核，測算其三角面邊長、點云間距是否滿足精度要求。

圖4 門頁型構件

2.5鍍金面積計算

2.5.1三角面數選取

為保證面積計算的精度，本項目不進行三角面簡化。

2.5.2鍍金面積計算范圍確定

范圍確定原則：依據原測量成果，采用相同方法，盡量選取與原成果相近的計算范圍。

范圍確定方法：通過銅件最外側位置做橫縱切面，兩切面交線即認為是銅件計算面積有效邊界，以此為邊界計算其內部表面積。

2.5.3鍍金面積計算

本項目確定計算范圍后，截取模型至計算區域，采用軟件計算。計算原理如下：

1）不規則三角網模型表面積計算基本原理——海倫定理

已知三角網T，T中共包含n個不規則三角形，每一個三角形用Ti表示，Ti在空間中的三個點分別用PA（xa，ya，za），PB（xb，yb，zb），PC（xc，yc，zc）表示，邊長用LAB，LAC，LBC表示，面積用Si表示，求表面積為ST，則：

令，根據海倫定理知

則

2）坐標解析法

其中F為面積，（Xi，Yi）分別為三角形頂點縱橫坐標，n為頂點個數。

3掃描儀對比

3.1RANGE7

固定式掃描，掃描過程中，保持機器原位不移動，通過儀器預覽框，將構件待掃區域移動至儀器掃描范圍，進行掃描。儀器距待測構件600mm左右。因一個角度無法將構件掃描完整，需多站多角度掃描才能獲得完整數據。處理速度一般，每站需手動選點，靠附近特征進行拼接。掃描精度最高，數據質量好。但掃描速耗時最長，操作繁雜度最高。

專用軟件掃描，掃描后導出至Geomagic后續處理。

3.2EXAScan

手持式掃描，掃描速度快。需在待測物體周圍貼定位點，操作方便。使用專用軟件掃描。掃描結果軟件默認自動進行降噪簡化，質量好但精度不高，需在軟件內做提高分辨率處理取消簡化，但結果會出現躁點影響，質量會降低。

專用軟件處理海量數據能力不強，打開、編輯、提高分辨率等操作后均需重構。海量數據時速度很慢，程序容易崩潰。需分塊掃描、導出后再手動拼接。處理后導出至Geomagic作后續處理。

3.3Romer

掃描分為RAW模式及有序點采集模式，RAW模式即采樣所有掃描到的點，數據量極大，如大面積掃描則無法處理。有序點采集模式即掃描后按一定精度進行采樣，點密度設定越高，精細程度越高，數據量越大。

該掃描結果質量好，但掃描速度較慢、操作繁雜程度一般。處理速度依點密度而定，安裝插件后直接使用Geomagic掃描及處理點云。

4成果比較及分析

4.1較差及差異率計算

將本次測量面積與原測量面積進行對比，計算兩次測量面積較差及差異率。計算公式為：

△s=s-S

r=△s/S*100%

其中r為差異率，△s為兩次測量面積較差，S本次測量面積，s為原測量面積。

本次復測項目計算面積較差的變化區間為[-648.905，+2268.79mm2]，絕對值最大為2268.790mm2，最小為2.261mm2；差異率的變化區間為[-1.93%，+1.91%]，絕對值最大為1.93%，最小為0.01%。較差絕對值平均值為290.794 mm2，差異率絕對值平均值為0.72%。

4.2測量成果中誤差計算及飾件分類計算分析。

根據規范要求中誤差。其中△s為每項的誤差，n為該種類飾件數量。

數據中誤差分類統計如下（飾件超過3件的種類參與計算）：

表4 中誤差分類統計表

種類中誤差平均面積誤差率

總計362.41147997.3770.76%

面頁485.65275885.7340.64%

鼻子55.0317893.2480.70%

墊片18.8943600.7160.52%

門釘78.9999502.6820.83%

字（含印章）134.3859998.0121.34%

從上表可以看出，各類飾件誤差率均較小。字類飾件誤差率最高。推測是因為字類飾件邊界部分占整體面積比率較大，且邊界選取與原數據不能完全一致所致。

5結語

（1）非接觸式三維掃描，能夠精確的得到待測物體準確的外觀形制。通過成果分析，說明該技術在測量難以估算的復雜構件的表面積、體積等參數時，具有較高的準確性及可操作性。

（2）本項目在進行過程中，采用三種不同工作方式的儀器進行了試驗對比。三款儀器在精度、掃描速度、操作簡易程度上各有優劣，并不能判定那款儀器更勝一籌。需要依待測物體的類型、體積大小以及項目的精度要求來選擇合適的儀器，才能得到最高的工作效率。

（3）目前工作中常用的計算機設備，在處理數千萬面三角面模型時的速度已經極其緩慢。所以日后的應用中，應考慮待測物體的類型、體積以及成果的使用方式及目的，來規定合適的精度要求，既將誤差控制在一定范圍內，又能保證掃描及處理的速度。

（4）精度要求越高時，數據噪點的影響也會不可避免的會來越大。當精度要求高于噪點的誤差范圍時，噪點將變得難以處理，影響最終數據質量。所以制定精度要求時，需考慮儀器的實際性能，以免對以后的工作造成影響。

（5）目前三維掃描行業發展迅速，設備、技術在不斷的更新、升級中越發完善。相信該技術在眾多行業應用中，會扮演起越來越重要的角色來。

參考文獻：

[1]GB 50026-2007 工程測量規范[S]，中國有色金屬工業協會，2008；

[2]GB/T 24356-2009 測繪成果質量檢查與驗收[S]，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2009；

[3]GB/T 18316-2008 數字測繪成果質量檢查與驗收[S]，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2008。