三維激光掃描儀在長城保護修復中的應用

曹文民 代 路 劉 瑞 林亞衛(wèi)

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021；2.秦皇島山海關(guān)文物局 秦皇島 066200)

1 引言

長城作為世界七大奇跡之一，對于考古、文化、旅游具有重要的歷史和現(xiàn)實意義。然而，隨著時間的積累、風雨的侵蝕，長城的損壞日趨嚴重。隨著對文物保護認識的不斷加深，長城的保護修復工作逐漸被人們所重視，而在長城保護修復工作中，傳統(tǒng)的文物測繪手段存在效率低且成果不直觀等缺點。通過三維激光掃描技術(shù)可快速獲取被測物體表面三維坐標、反射率和色彩信息，根據(jù)三維點云建立精確的三維模型，為長城保護修復工作的三維測繪和逆向建模提供了新的解決思路。

2 工作流程

三維激光掃描儀的作業(yè)流程主要包括實地踏勘、站點及標靶位置設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與建模、模型應用等步驟，流程圖如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀工作流程圖

2.1 實地踏勘

掃描目標物為長城的烽火臺，位于山脊頂部，兩側(cè)均為峭壁。由于烽火臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，瞭望口較多，且有一彎曲臺階通向頂部，采用傳統(tǒng)測量手段工作量大，且容易丟失一些細節(jié)信息，采用三維激光掃描儀進行掃描、拍照，可同時獲得烽火臺的幾何尺寸和紋理信息(照片)。

烽火臺實現(xiàn)場情況照片

2.2 站點及標靶位置設(shè)計

烽火臺東西兩側(cè)為陡崖，南側(cè)為陡臺階，北側(cè)臺階較緩。根據(jù)現(xiàn)場情況制定了烽火臺外側(cè)采用傾斜攝影技術(shù)，內(nèi)部采用三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集，內(nèi)、外采用統(tǒng)一坐標系統(tǒng)，保證后期數(shù)據(jù)能夠套合。

根據(jù)制定的采集方案，結(jié)合現(xiàn)場情況，在烽火臺北側(cè)長城墻體上不同高度設(shè)置三個球形標靶與外側(cè)傾斜數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。由于烽火臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，首站、末站采用絕對坐標標靶，中間站采用站間公共標靶進行相對定位，最后與首末站數(shù)據(jù)根據(jù)站間公共標靶進行拼接，糾正到統(tǒng)一坐標系統(tǒng)中。

首先在保證全面掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，盡量少設(shè)站的原則，對測站進行設(shè)計；然后對公共球擺放位置進行設(shè)計，保證每兩站間至少3個公共球，便于不同站間數(shù)據(jù)的拼接，測站及標靶設(shè)計位置見圖2。

圖2 測站點及標靶位置分布圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

為了滿足后期對模型精細化測量的需要，此次掃描精度設(shè)計為高分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)對破損磚縫長度、寬度的量測。每站掃描時畫好站點與標靶的示意圖，便于后期數(shù)據(jù)處理時模型的拼接。每站掃描完成后，進行拍照，采集影像信息，后期賦值給點云，便于模型識別和還原模型的真實性。采用RTK對外部球形標靶進行位置測量，使最終模型與傾斜量獲取的模型統(tǒng)一到同一坐標系中。

2.4 數(shù)據(jù)處理及建模

數(shù)據(jù)采集完成后，內(nèi)業(yè)首先應用Clyclone軟件進行點云噪聲點去除。噪聲產(chǎn)生的原因包括儀器和環(huán)境的影響，噪聲的存在不僅增加了電腦的處理難度還降低了點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，更會影響模型構(gòu)建的精度。本次采用目視和軟件相配合的方法進行噪聲去除。去噪完成后根據(jù)相鄰站點間的公共標靶進行不同站點間點云數(shù)據(jù)的拼接，站與站間拼接精度均優(yōu)于1 mm，最后根據(jù)首末站絕對坐標標靶對模型進行絕對定位，最終形成具有絕對空間坐標的整個烽火臺的三維點云模型。

2.5 數(shù)據(jù)應用

建好后的三維點云模型在長城保護修復工作中的應用主要包括兩個方面：一是在點云模型上進行三維測量，為保護修復工作提供設(shè)計的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)；二是真實三維點云模型是烽火臺全方位立體數(shù)字化的真實體現(xiàn)，可更好地用于文化宣傳以及若干年后破損部位的恢復重建。

3 成果展示

三維激光掃描儀掃描后，在Cyclone軟件中拼接后的三維點云模型如圖3所示。

圖3 三維激光掃描儀激光點云模型

通過軟件可以對三維點云模型進行量測，得到烽火臺的三維基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，用于保護修復的設(shè)計工作，如圖4所示。

圖4 基于點云模型的三維測量示意圖

4 結(jié)論

此次三維激光掃描儀在對長城烽火臺進行的三維掃描測量應用，不僅為長城保護修復設(shè)計提供了精確的三維空間量測數(shù)據(jù)，還為文物的宣傳以及后期的修復重建工作提供了真實的樣本。為以后工作中對結(jié)構(gòu)復雜、傳統(tǒng)測量技術(shù)和其他測量技術(shù)難以滿足需要的三維立體測量提供了新的解決思路。

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