基于三維激光掃描技術的木構架文物變形監測

鄭曉敏

【摘 要】目前，我國文化工作發展迅速，技術水平也不斷提高，在傳統木構架文物的變形管理中，三維激光掃描技術應用較為廣泛。基于此，本文對三維激光掃描技術進行分析，并對其在變形監測中的具體應用展開探討。

【關鍵詞】三維激光；激光掃描；掃描技術；文物變形

三維激光掃描技術是通過激光對物體表面的信息以點云數據的形式表示出來，再經過對點云數據的分割、去噪和精簡等過程，最后對物體的三維圖像進行重構建模。隨著逆向工程的快速發展，三維激光掃描技術在地質、醫學、考古、建筑、農業和林業等方面的應用越來越廣泛。

一、三維掃描技術

三維掃描這個詞來源于平面掃描，但與平面掃描使用線掃描的方式不同，三維掃描有基于點掃描的，基于單根線掃描的，基于多根線掃描的，還有基于整個面掃描的。長距離三維掃描儀通常都是基于激光脈沖飛行時間測距原理，可用于石窟寺、摩崖造像、石橋等大型石質文物的數字化信息釆集。在實際工作中，長距離三維掃描儀可能會受到陽光、溫度、濕度、氣壓、測量角度等多種因素的影響，應該盡量選擇穩定、干擾少的條件進行工作。由于單次測量的數據會因文物自身形狀的遮擋存在空洞，往往需要從多個位置進行測量。為了更好地對齊測量結果，有時可以借助標定球、標定板等輔助手段。在大部分的工作中，長距離三維掃描儀會配合測繪儀器共同工作，以完成更大范圍的準確三維重建。與之相配套的測繪儀器可能包括全站儀、RTK（載波相位差分）、水準儀、激光跟蹤儀等。在短距離的三維掃描設備領域，存在多種技術實現。因為三維重建算法要區分的情況非常多，計算過程往往需要較多的人工干預才能實現預期的效果。這也是其逐漸遠離主流工作方法的重要原因之一。

二、三維激光掃描技術木構架文物的變形監測分析

1.變形監測技術路線

為探求木質承重梁柱常態性變形規律，獲取變形數據，本文提出了木構架文物變形監測的技術路線。為保證數據測量的準確性，在開始階段建立了永久性測量控制點與掃描標靶點。對一定時間內木構架文物建筑進行變形監測，從而可以提取連續變化量和一定時間間隔的累計變形量。本文連續變化量時間長度為一個季度，累計變形量周期為一年。為保證測量的精度，減少三維激光掃描系統的偶然性誤差，在多時相數據采集過程中，采用相同測量儀器、操作人員，統一掃描站點坐標、儀器高度及掃描參數，控制掃描角、激光測距信號處理、目標物體反射表面粗糙程度帶來的誤差影響。同時，對系統誤差引起的三維激光掃描點的坐標偏差，可通過公式改正或修正系統予以消除或減小。

2.數據采集

外業數據采集采用徠卡ScanStationP40三維激光掃描儀，P40融合了高精度的測角測距技術、WFD波形數字化技術、MixedPixels混合像元技術和HDR圖像技術，測角精度為8″，測距精度為1.2mm+1×10-5D，掃描速率高達每秒100萬點，掃描距離可達270m。為保證各站掃描數據具有較高精度的絕對坐標及內符合性，綜合考慮主題館周邊地形情況及竣工測量的精度，在主題館周邊利用青島市連續運行基準站系統下的網絡RTK布設平面控制點，高程采用電子水準儀進行二等水準觀測，并以其中一個控制點RTK觀測下經精化后的正常高作為起算點，作閉合水準平差得到各個控制點的高程。架站時充分利用現場地形的高差起伏使掃描視野覆蓋整個主題館，為避免激光掃描方向與被掃物體夾角過大帶來的誤差，外業應盡量保證正直掃描。

3.數據挖掘

最初三維激光掃描參數的值通過一些專業人員憑經驗確定，該方法速度快，而且簡單，得到的三維激光掃描參數值直觀，但是由于人為因素的影響，得到值不太可靠，主要較強的主觀性，而且自動化程度低，三維激光掃描的效率低。隨著計算機技術的不斷發展，出現了一些三維激光掃描參數自動、智能優化方法。一些學者通過主成分分析、灰色關聯分析等統計學方法對三維激光掃描參數進行分析和優化，找到三維激光掃描參數的最優值，結果要比人工方法可靠，但是它們屬于線性優化方法，而三維激光掃描參數之間一種強耦合、非線性聯，得到結果可解釋性差。為此一些學者提出了基于神經網絡的三維激光掃描參數優化方法，神經網絡的非線性映射性能優異，可以對三維激光掃描參數變化關系進行回歸和擬合，三維激光掃描參數優化精度要高于主成分分析等傳統方法。然而在實際應用中，但神經網絡的結構十分復雜，建立最優結構十分困難，經常得到“過擬合”的三維激光掃描參數優化結果，實際應用的局限性非常明顯。近些年，隨著大數據時代的到來，出現了一些數據挖掘技術，其中支持向量回歸機的應用范圍最為方法。支持向量回歸可以從大量數據中挖掘出隱藏的規律，因此為三維激光掃描參數優化提供了一種工具。

4.BIM模型的建立

（1）鏈接點云數據。點云數據經處理以后，首先利用RevitRecap軟件將點云模型轉換為后綴名為*.rcp或者*.rcs的點云項目或點云項目索引格式；然后將點云數據作為參照鏈接插入到Revit項目中，為“族”庫以及最終完整模型的建立提供科學的參照依據。（2）建立“族”模型。“族”是針對建筑構件來說的，它的建立能夠使我們從宏觀的角度認識某一特定類型的建筑構件全貌，并更直觀地展現某種構件的各種分類形式。由于古建筑的各個構件與現代建筑不同，這些特殊的構件都需要我們自己創建“族”來實現，進而構成規范化的古建筑族庫，服務于后續古建筑模型的建立。（3）建立標高與軸網。標高主要是用來確定建筑本身高度的信息，如層高、室內外高差等，用作屋頂、樓板和天花板等以標高為主體的圖元的參照。軸網是建筑制圖的主體框架，建筑物的主要構件按照軸網定位排列。（4）利用scanto BIM插件識別平面。在所需識別的平面內選擇3個以上像素較好的點，通過改變Shape Tolerance和Closeness Tolerance值來調整生成的平面至其與點云完全吻合。（5）建立完整模型。把族模型加進項目中之后，就可以根據點云信息以及標高軸網的約束，將構件放置在墻上，通過創建類似實例以及偏移、鏡像等功能，可以復制多個構件滿足要求。最終將各個構件連接，實現完整的BIM模型建立。（6）添加屬性信息。構建屬性索引，將古建筑模型與古建筑全生命周期信息相關聯。屬性信息是BIM模型所特有的，也是將BIM技術應用于古建筑數字化保護的重要一步。

三、結語

綜上所述，本文主要對木構架文物變形管理過程中三維激光掃描技術的應用進行分析，通過數據采集、數據處理、BIM模型建立等多方面內容，提高文物管理的實際水平。在實際應用中，三維激光掃描技術能夠實現木質文物變形監測，對其變形趨勢進行驗證，能夠為相關人員提供有力的數據參考。

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