三維點云處理技術在文物保護中的應用研究

黃超

摘要：隨著科學技術的發展，我國的三維激光掃描技術有了很大進展。三維激光掃描作為測繪新技術，為文物建筑測繪提供一個新手段，它具有無接觸、高精度、快速、所見即所得的優點。本文首先總結了三維激光掃描的工作原理以及文物建筑測繪中的工作流程，包括外業數據的采集和內業的數據處理過程，接著分析了其中誤差來源，最后探討了三維激光掃描在文物建筑測繪中存在的一些問題。

關鍵詞：三維激光掃描;文物建筑測繪;應用

引言

文物是一個國家寶貴的歷史遺產，我國對文物保護的投入正不斷加大，建立文物建筑預防性保護體系是其中的一項重要工作，其核心是實現文物信息的數字化，而三維信息采集與存儲是實現數字化的首要基礎工作。

1三維激光掃描的工作原理

三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取地形及復雜物體的表面的三維點云數據。其工作原理是：通過激光反射這一裝置，掃描儀對目標進行激光發射，通過對掃描儀內置的計時系統進行充分的利用，就可以測出激光發射和接受的時間差，從而計算出相應被測點和掃描儀間的距離。根據以下兩個方向的角度值，一個是水平方向;另一個是垂直方向，就能將被測點的三維坐標數據進行測算，然后將點云數據進行儲存，將其輸入計算機的存儲設備之中。再對這些數據進行處理，就能得到實體的三維幾何模型。

2三維激光掃描在文物建筑測繪中的工作流程

2.1制定工作計劃

制定工作計劃的內容是根據文物建筑的自身和周圍環境的情況確定是否采用其他輔助的設施和工序，根據掃描精細程度和儀器的工作范圍確定大致掃描距離和掃描分辨率，根據掃描測站間的重疊程度和是否適合設站確定大致的掃描站數和掃描路線，根據天氣、任務量和工作環境確定時間安排。

2.2數據管理與存儲

由于文物建筑掃描測站數多、數據量大，為便于數據管理，提高數據處理效率，需將測區人為地分割成多個層級，如按測站編號劃分、按樓層劃分、按單體劃分、按院落劃分等，每個層級還可以細分子層級，將各個子層級的測站數據分別進行數據處理，待所有處理工序完成后再進行合并。對應的，掃描的原始數據也需按照相同的層級存儲，由此保證了繁雜的測站布置以及海量的測站數據在分級體系中有條不紊、結構清晰，在后期數據管理分配以及最終成果制作調用上也做到準確高效、使用靈活。

2.3點云數據處理

第一步：采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone對點云數據進行預處理與配準。將外業采集的數據進行導入，通過公共標靶點，可以實現各站數據的拼接。對于拼接完成的點云數據，我們再對其進行統一的處理。第二步：由于三維激光掃描儀在采集數據時，其掃描范圍較廣，會包含所有地的所有信息，這樣一來，就會采集一些沒有用處的數據，若不對這些數據進行清除，就會對后期的點云建模產生重要的影響，故此，一定要將這些噪點進行去除。但是從Cyclone這款軟件的功能上來看，能夠沒有自動去噪的這個功能，因此只能依靠人工的手段，來一點一點的去除噪點。通過軟件的切片功能，將點云切成一定寬度的片狀顯示，并設置一個好的視角，從幾個不同的視角中選擇和檢查操作的點云，以免意外的刪除掉前面或背后的有用的點云。第三步：去噪完成后，整個崖壁的點云數據仍然是非常龐大的，所以需要對點云數據進行切割，獲取各龕與各佛像的獨立點云數據。以便后期的協調作業，提高工作效率。

2.4文物掃描數據的應用

作為真實場景的數字化還原，文物建筑的掃描數據經注冊拼接、過濾去噪、色彩均衡、通用格式轉換等處理后，可用于建立文物的三維模型或是直接存檔。由于掃描數據屬于高精度的測繪數據，海量點云借助于CAD軟件或者BIM軟件，可以進一步挖掘出掃描數據的更多應用。例如，把文物建筑的掃描數據導入EdgeWise軟件進行建筑構件的自動識別，再通過Revit軟件進行修正處理，可以方便準確地建立文物三維模型，進而得到文物建筑的平面圖、立面圖等成果;也可以將掃描點云沿水平面切片后導入AutoCAD（2014或更高版本），即可直接依據點云準確繪制平面圖，作圖過程中不需要外業草圖，無須對不同地物點數據進行編碼。

3三維激光掃描用于文物建筑測繪存在的問題

（1）數據采集缺失。三維激光掃描使用的激光脈沖不具有穿透力，在建筑物比較復雜、重疊嚴重的時候只采集可見部分的表面信息，對于遮擋部分會造成數據的缺失。此外，信號在傳播和接收途中受到各種原因的影響，部分信息可能無法記錄，雖然通過補洞等手段進行部分補救，但是畢竟只是根據周邊數據按照一定算法進行的數據填充的過程，沒有原始數據真實。（2）文物建筑信息提取有待改進。三維激光掃描獲取的文物建筑的位置、大小、形狀等三維空間信息十分豐富，但是在獲取彩色圖案和紋理方面還有待完善。雖然通過相機獲取的圖像進行貼圖獲取色彩，但是色彩信息還不夠清晰完整。（3）處理文物建筑點云數據的專業軟件缺乏。目前，處理點云數據的商業軟件如Imageware，GeomagicStudio，RapidForm等雖然點云處理能力很強，但都是廣泛應用于機械制造方面，針對文物建筑點云數據處理軟件亟待研發。（4）儀器貴重，推廣受限。高精度的三維激光掃描儀還主要依靠從國外進口，價格昂貴，動則幾十萬到上百萬元，對于一般的文物保護單位和施工單位來說很難承擔，在實際推廣中受限。

結語

綜上所述，隨著科學技術的不斷發展，測繪技術日益豐富，其中三維激光掃描技術對于文物建筑的測繪而言是重要的，該技術有著一系列的優點，如：快速、精準與無接觸等。通過本文的研究，三維激光掃描技術的作用將得到最大限度的發揮，文物建筑測繪工作將更加高效、準確與科學。

參考文獻

[1]王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用[D].中南大學，2010.

[2]白成軍，王其亨.三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用[J].文物，2013，10（03）.

[3]白成軍，吳蔥，張龍.全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用[N].天津大學學報（社會科學版），2013，11（05）.

[4]湯羽揚，杜博怡，丁延輝.三維激光掃描數據在文物建筑保護中應用的探討[N].北京建筑工程學院學報，2011，10（04）.