基于地面激光點云數據的古建筑建模研究

梅東 史玉峰

摘 要：古建筑是廣大勞動人民智慧與藝術凝聚的文明瑰寶，對古建筑進行保護、修繕、復原是文保主要工作之一。本文采用地面激光掃描技術獲取南京城墻解放門部分表面點云，應用相關軟件構建了解放門表面精細三維模型。

關鍵詞：地面激光掃描; 古建筑測繪; 點云; 三維建模

中圖分類號：P234? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2020）12-175-001

1.引言

古建筑是歷史的沉淀與人類文明的結晶，是廣大勞動人民智慧與藝術凝聚的文明瑰寶，承載著世界共同的記憶。地面激光掃描技術具有無接觸、速度快、精度高等特點，在邊坡監(jiān)測[1-3]、橋隧測量[4]等領域得到應用，在古建筑測繪與保護方面也有應用[5-7]。本文擬選用地面激光掃描技術獲取南京城墻解放門段的表面點云數據，建立解放門三維點云模型。

2.數據采集與預處理

點云數據采集通常分為現場踏勘、測站布設、建筑物掃描等三步。本次南京城墻解放門掃描路線為：解放門內側（近玄武湖）-門洞-外側，門內、外側各設1個測站點，門洞內設置1個測站點，共3個測站。采用FaroFocus3DX330地面激光掃描儀為數據獲取設備，儀器參數設置為：掃描分辨率為1/4，10m范圍內點云間距6mm。

由于原始點云數據存在很多冗余數據和噪聲，在三維模型構建之前，需要對點云數據進行預處理工作。預處理流程包括：

（1）點云數據拼接配準。本文采用最近鄰迭代配準算法（ICP）對采集的點云數據進行拼接配準，拼接配準報告顯示本次配準精度為4.5mm，少于配準限差6mm，表明拼接配準效果良好。

（2）點云數據去噪與濾波。點云濾波的方法主要有：高斯濾波、平均濾波和中值濾波。本文采用高斯濾波方法消除點云噪聲。

（3）點云數據重采樣。常用的點云數據重采樣方法有：曲率采樣、隨機采樣、等距采樣。由于曲率采樣方法能夠保留大量細節(jié)特征，因此在處理復雜古建筑時，通常采用該方法。本文選用曲率重采樣法，設置某一闕值進行，對公共區(qū)域進行合并，保留曲面數據。

3.點云建模

在點云數據建模前，需要對點云數據中的孔洞進行補缺。孔洞不可避免地出現在掃描點云數據中，其產生的原因主要包括：掃描過程中樹木、行人、車輛等形成遮擋;待測物體表面吸光性較強;處理數據時操作失誤導致點云數據被錯誤刪除等。為了使模型完整化，需要對孔洞和缺口進行填充。缺口填充是利用缺口周邊的三維信息，并與缺口構建拓補關系。多邊形上的小孔洞可以利用平面填充法，大孔洞可以利用曲面填充法。

目前常用的點云數據建模方法有：幾何建模、三角網建模和曲面建模。本文選用NURBS曲面建模方法構建點云三維模型，其具體步驟如下：

（1）構造輪廓線。計算曲率生成多邊形的輪廓線，并將整體曲面分塊成獨立的曲面，以顏色區(qū)分。圖3為構造的解放門輪廓線。

（2）曲面構造。在抽取完輪廓線后，進行松弛、細分輪廓線，進行曲面構造，并修復曲面片。圖4為構造的解放門曲面片。

（3）曲面擬合。曲面片構造完成后，需要進行曲面擬合，將曲面片擬合成NURBS曲面。本次采用常數擬合方式，設置控制點為20，表面張力0.25，完成對解放門三維模型構建。圖5、圖6分別是解放門內側、外側曲面。

4.總結

本文應用法如Focus3D X330地面激光掃描儀獲得的南京城墻解放門原始點云數據，并分析了點云數據預處理步驟，探討古建筑點云建模方法，建立了基于地面激光掃描點云數據的解放門三維模型。

國家自然科學基金：大場景機載點云建筑語義建模（No.41971415）

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