三維激光掃描技術(shù)在古建筑模型重建中的應(yīng)用

彭文博，楊武年，王 鵬

（1. 成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

三維激光掃描技術(shù)在古建筑模型重建中的應(yīng)用

彭文博1，楊武年1，王 鵬1

（1. 成都理工大學(xué) 地學(xué)空間信息技術(shù)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

以四川省閩良市某古建舍利塔為研究對(duì)象，使用FARO SCENE、Geomagic 2013、Photoshop CS3和3dsMax 2012等數(shù)據(jù)獲取和處理軟件生成逼真的舍利塔三維模型，為三維激光掃描技術(shù)在古建筑物保護(hù)和維修方面的應(yīng)用提供了參考和借鑒。

三維激光掃描；古建筑保護(hù)；三維重建；GIS

古建筑作為特殊的文化信息載體[1]，在一定意義上，見(jiàn)證了一個(gè)時(shí)代的變遷，一旦破壞，就再難以接續(xù)和修復(fù)。對(duì)古建筑進(jìn)行三維重建是古建筑保護(hù)的有效手段[2]。三維空間信息數(shù)據(jù)的快速獲取是制約古文物三維重建的一個(gè)難題。三維空間信息的獲取其實(shí)質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù)的采集[3]。傳統(tǒng)的三維空間數(shù)據(jù)獲取方法多為單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取[4]，其獲取的數(shù)據(jù)精度雖高，但耗時(shí)耗力，數(shù)據(jù)更新慢，難以滿足信息快速發(fā)展的需求。三維激光掃描系統(tǒng)集成多種高新技術(shù)的三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式[5]，可快速獲取被測(cè)目標(biāo)表面的陣列式幾何圖形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速應(yīng)用于城市建筑三維重建和局部信息的空間信息獲取，是目前測(cè)繪發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文結(jié)合三維激光掃描的基本工作原理及實(shí)施過(guò)程，以某摩崖造像舍利塔為例，探討了三維激光掃描技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的應(yīng)用[6]，給出了三維激光掃描數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建的具體步驟。

1 三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)

三維激光掃描是以獲取掃描對(duì)象表面點(diǎn)云的方式來(lái)采集物體表面的空間坐標(biāo)的。地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、后序處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成[7]，它具有與掃描儀器相關(guān)的特定的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為儀器坐標(biāo)系統(tǒng)。如圖1所示，儀器坐標(biāo)系統(tǒng)同樣分為X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸。坐標(biāo)原點(diǎn)即激光發(fā)射點(diǎn)，Z軸向上為正，位于儀器的豎向掃描面內(nèi)；X、Y軸都位于儀器的橫向掃描面內(nèi)；X軸與Z軸、X軸與Y軸分別相垂直，且X軸與Y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系中，Y軸正方向一直指向被掃描對(duì)象。

該系統(tǒng)中的掃描儀主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時(shí)集成數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)[8]。測(cè)量時(shí)采用高速激光測(cè)時(shí)、測(cè)距的方法獲取點(diǎn)云坐標(biāo)：首先，已知測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射的激光束的水平角度α和垂直角度θ；然后計(jì)算脈沖從發(fā)射脈沖到接收反射回來(lái)的脈沖時(shí)間間隔t，進(jìn)而計(jì)算距離S；最后從獲取掃描反射接收的激光強(qiáng)度，對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配，可計(jì)算得到掃描點(diǎn)P（X,Y,Z）的三維坐標(biāo)為：

圖1 三維坐標(biāo)獲取圖

近年來(lái)，三維激光掃描通過(guò)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、電荷耦合（CCI）等技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)在測(cè)繪領(lǐng)域中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，如城市三維重建、滑坡泥石流監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等。此外，三維激光掃描技術(shù)在礦山測(cè)量、礦產(chǎn)儲(chǔ)量分析、高山冰雪融化監(jiān)測(cè)、高山與斜谷測(cè)土等方面也發(fā)揮了重要作用。

2 三維激光掃描工作流程

三維激光掃描的主要工作流程為制定嚴(yán)密的內(nèi)業(yè)計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)勘查與定點(diǎn)、實(shí)施掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與三維建模。在具體實(shí)施之前應(yīng)根據(jù)掃描對(duì)象的不同和數(shù)據(jù)采集精度要求，設(shè)計(jì)合適的掃描路線、測(cè)站數(shù)、大致的設(shè)站位置[9]，確定合理的掃描距離和采樣密度等。數(shù)據(jù)獲取主要包括掃描對(duì)象點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集和影像數(shù)據(jù)的采集等。點(diǎn)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(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理階段主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，如各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、去噪、簡(jiǎn)化、封裝等。本次數(shù)據(jù)主要采用FARO SCENE、Geomagic、Photoshop和3dsMax 2012等軟件進(jìn)行處理，這就需要數(shù)據(jù)處理人員不但要具有一定的測(cè)量知識(shí)，還要具備一定的三維建模能力。

3 三維激光掃描在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

以四川省某處摩崖舍利塔為例，本次掃描采用FARO Focus3D 120三維激光掃描儀和配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于舍利塔本身體型不算大，故本次掃描過(guò)程設(shè)置3個(gè)測(cè)站，采樣密度設(shè)為10 m處6 mm；為了保證各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度，設(shè)站時(shí)應(yīng)盡可能保證站與站間掃描區(qū)域不低于10%的掃描重疊度。此外，由于該掃描對(duì)象處于旅游觀賞區(qū)，故掃描時(shí)間選擇在游客密度相對(duì)較少，遮擋相對(duì)小的時(shí)候進(jìn)行。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接后的效果如圖2。

圖2 舍利塔整體拼接圖

3.2 古建筑建模

在進(jìn)行古建筑三維建模時(shí)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可逼真地表現(xiàn)實(shí)體的空間形體特征；但要準(zhǔn)確描述目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，還需要構(gòu)建精細(xì)的TIN三角網(wǎng)模型，在建立目標(biāo)物的TIN模型時(shí)，需進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，如點(diǎn)云去噪、封裝、修復(fù)漏洞和紋理映射等。

1）點(diǎn)云拼接[10]。作為三維重建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云的精度決定了三維重建的精度，本次數(shù)據(jù)拼接是將3 個(gè)測(cè)站有一定重疊度的點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體數(shù)據(jù)。

2）聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，是將拼接后3個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云模型聯(lián)合成一個(gè)點(diǎn)云模型。該操作可以便于后續(xù)的采樣、封裝等。

3）點(diǎn)云去噪和體外孤點(diǎn)。掃描目標(biāo)物獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布散亂，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)掃描的過(guò)程中，任何無(wú)關(guān)的動(dòng)作，如激光儀的輕微震動(dòng)、激光散射、光線變化、人流樹葉的遮擋等都會(huì)使測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中出現(xiàn)噪聲點(diǎn)、粗差點(diǎn)等，因此去噪和體外孤點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)中的噪聲剔除尤為重要。

4）統(tǒng)一采樣。獲取舍利塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，采用的是分站式掃描，站與站之間的數(shù)據(jù)存在不低于10%的數(shù)據(jù)重疊度，使得各站獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)間有一定的數(shù)據(jù)冗余，因此在構(gòu)建三維模型時(shí)需以某一閾值進(jìn)行重采樣，這樣可以保證在不影響整體數(shù)據(jù)精度的前提下減少點(diǎn)云數(shù)量，便于刪除重疊點(diǎn)云和稀釋點(diǎn)云，采樣后還可以提高數(shù)據(jù)處理時(shí)的運(yùn)算速度。

5）封裝和漏洞修復(fù)。統(tǒng)一采樣后得到的三維點(diǎn)云模型并不能真實(shí)表現(xiàn)研究對(duì)象的實(shí)體表面，需要將這些空間離散點(diǎn)構(gòu)建成三角網(wǎng)，以恢復(fù)研究對(duì)象表面復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)于此，封裝就是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于舍利塔的傘狀結(jié)構(gòu)，使得舍利塔的頂部有些地方無(wú)法獲取點(diǎn)云信息，造成局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致數(shù)據(jù)漏洞。在建模過(guò)程中需進(jìn)行“補(bǔ)洞”，使研究對(duì)象的三維模型完整表達(dá)出來(lái)。舍利塔模型修復(fù)的效果如圖3所示。

圖3 舍利塔點(diǎn)云修復(fù)圖

6）紋理貼圖。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(diǎn)與影像像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]。將數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)賦給已經(jīng)建立的研究對(duì)象的三維模型，使得三維模型表面具有真實(shí)的紋理信息。數(shù)碼相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)不是正射圖，使得已有紋理信息與實(shí)際信息出現(xiàn)偏差。為了改善這種紋理貼圖偏差，需要對(duì)照片進(jìn)行處理校正，轉(zhuǎn)化為正射投影圖后再進(jìn)行紋理映射。該舍利塔局部紋理映射效果如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

以某摩崖造像舍利塔為例，本文詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑三維模型重建，準(zhǔn)確地獲取了該舍利塔的三維空間數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，給出了該舍利塔的三維模型效果圖，并總結(jié)了實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

圖4 舍利塔紋理貼圖效果圖

1）掃描階段，要根據(jù)掃描對(duì)象所處實(shí)際地理位置進(jìn)行細(xì)致安排，如該舍利塔地處旅游景區(qū)，選擇在客流量相對(duì)少時(shí)進(jìn)行掃描；此外，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在確保精度的基礎(chǔ)上減少數(shù)據(jù)冗余，應(yīng)合理設(shè)置測(cè)站數(shù)和各測(cè)站點(diǎn)位置。同時(shí)，為了得到更為完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需結(jié)合近景攝影測(cè)量以彌補(bǔ)掃描時(shí)細(xì)節(jié)部分的缺失。

2）數(shù)據(jù)處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)模型質(zhì)量要求合理安排相對(duì)處理因子，如統(tǒng)一采樣間距、體外孤點(diǎn)敏感性設(shè)置等；在實(shí)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，完整表達(dá)出該古建筑的三維模型。同時(shí)在進(jìn)行紋理映射時(shí)，可能會(huì)因?yàn)橛邢薜挠跋穹直媛食霈F(xiàn)紋理拉伸，使得無(wú)法逼真呈現(xiàn)目標(biāo)物的紋理信息，因此處理過(guò)程中將圖片轉(zhuǎn)換為正射投影圖后再進(jìn)行紋理貼圖，能明顯改善紋理偏差。

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P208

B

1672-4623（2016）03-0094-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.030

彭文博，碩士，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。

2015-01-23。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41372340）。