基于3D激光掃描技術(shù)下的傳統(tǒng)村落影像資料處理
——以錦江木屋村為例

李雷立，魏旭廷 （吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130000）

1 概述

我國各種風(fēng)格的傳統(tǒng)村落都具有其獨特的風(fēng)格，然而近些年傳統(tǒng)村落被損毀問題變得十分嚴重，為了這些傳統(tǒng)村落能有更好的保護、維修及提供更完整的研究價值，獲取到準確與真實的圖像資料就變得尤為重要。然而在傳統(tǒng)的圖像資料的獲取中，人們大多采用傳統(tǒng)測繪、攝影、錄像等手段，這些方法手段不僅需要較多人力、財力及時間的投入，同時也會受到多種不可控因素的影響，使圖紙最終的完整度與準確性受到一定的局限。

現(xiàn)在，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展以及各種新技術(shù)的不斷推出，衍生出的3D激光掃描技術(shù)將可以被引入于建筑模型的測繪與保護中，這是一種利用2D激光雷達配合云臺裝置，設(shè)計了一種3D激光掃描儀作為三維數(shù)據(jù)獲取裝置。根據(jù)掃描儀的硬件特性和傳輸特性，進行PC端的掃描控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計。掃描控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對掃描范圍以及掃描精度的控制和設(shè)定，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)針對采集到的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)的映射將相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)，并進行點云濾波，利用最小二乘進行曲面光滑，最終進行三角網(wǎng)格重建。經(jīng)過多次實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以對一般幾何復(fù)雜度的三維場景進行較好的重建。

位于吉林省得錦江木屋村建于1937年，已有70余年的歷史，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的保護最好的木屋群落。2006年，錦江木屋村被撫松縣列為縣級傳統(tǒng)民居文化遺產(chǎn)保護單位，2008年，被白山市人民政府列為第一批非物質(zhì)文化遺產(chǎn)之一。

為了對其進行更好的保護，本文將使用3D激光掃描儀對錦江木屋村的建筑進行數(shù)字化掃描，并處理掃描所得到的數(shù)據(jù)并建立出一套可供參考、使用、研究的矢量模型。對于數(shù)字化掃描的成果進行矢量化操作，形成供管理、提取、使用的模型元素，也具有著重要的意義。

1.1 使用3D激光掃描技術(shù)對傳統(tǒng)村落影像資料處理的意義

1.1.1 豐富各類建筑的歷史文化展示形式，提高展示效果

很多傳統(tǒng)村落所坐落的位置比較偏僻，這些位置將會成為他們展示自己建筑魅力的絆腳石。通過3D激光掃描系統(tǒng)，將這些村落中最具有代表性的樣子向大家展示出來，讓人們可以更加完整、具體、客觀地了解到自己希望了解的細節(jié)，從而對其可以有更深一步的研究。

1.1.2 提高建筑歷史文化的保護手段

用來保護村落的傳統(tǒng)方法，往往會受到受到地域、空間、時間上的各種限制，無論是資料查找，還是以前用來保護建筑的方法，很多會受到地域、空間、時間上的各種限制，在最需要資料的時候只能通過書本及文獻來查找。而文獻及書籍都有這時間的局限性，在文獻發(fā)出后，該村莊也許會發(fā)生很多變化，如此一來，這些文獻及書籍的數(shù)據(jù)或者圖片將會變得不夠精確，為專家學(xué)者的研究帶來一些麻煩。通過3D激光掃描技術(shù)，可以將掃描到的建筑信息資料收集到資料庫，并進行分類。如此一來，可以更加便捷地為專家學(xué)者提供研究資料。

1.1.3 突破時空限制，充分發(fā)揮建筑的歷史文化價值

隨著時間的推移，即使能夠提供到保護，很多古老建筑中的各種特征也會漸漸損壞，衰退，以至于失去其原有的風(fēng)貌。使用3D激光掃描技術(shù)，將各種建筑中的現(xiàn)有細節(jié)統(tǒng)統(tǒng)完整的保留下來，對于日后的再研究，再探索，再學(xué)習(xí)都有著很大的幫助。

1.1.4 整合并共享各地歷史文化及相關(guān)文物史料資源

中國地大物博，不同地區(qū)的不同類型的建筑都有著不同的特點，不同的風(fēng)格，無論是色彩層面，結(jié)構(gòu)層面，規(guī)劃層面等都有著自己鮮明的個性；使用3D激光掃描技術(shù)對這些建筑進行掃描，存檔并加入資料庫中，讓人們不論在什么地方，都可以對這些村落進行橫向的比對，對于傳統(tǒng)村落的研究將變得更加容易。

1.1.5 探索3D激光掃描技術(shù)在其他領(lǐng)域的價值與應(yīng)用

由于3D激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采樣率高、精度高、不接觸性、可直接生成三維空間結(jié)果等特點，使用3D激光掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集或?qū)⒊蔀橐环N趨勢，將來或許也會成為數(shù)據(jù)模型采樣方法的主力軍。

2 3D激光掃描技術(shù)工作過程及成果

2.1 掃描

①確定目標(biāo)建筑外形，目的是為了決定3D激光掃描儀具體需要掃描的站數(shù)。

②開機掃描儀，并將其固定在地面保持掃描儀的穩(wěn)定，確保其在掃描過程中不會晃動，由于3D激光掃描儀是以點云的形式記錄建筑物，每個掃描到的激光點相對位置就顯得尤為重要，若是在掃描過程中未固定掃描儀，那么在掃描的過程中難免會出現(xiàn)掃描點重復(fù)或有地方?jīng)]有掃描到的情況，在得到最終掃描的站點資料后，距離誤差就會變得很大。為了避免在最終的得到掃描數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)不可用，造成不必要的麻煩，在最開始就一定需要固定3D激光掃描儀。

③確定傾角儀，確定掃描儀的水平狀態(tài)。當(dāng)掃描儀的狀態(tài)處于未水平狀態(tài)時，掃描儀的水平面板會呈現(xiàn)出紅色，這時我們便需要調(diào)整掃描儀，將其控制在灰白色的狀態(tài)，即水平狀態(tài)。調(diào)整傾角儀的方式，一般會采用調(diào)整固定掃描儀的三腳架的其中一根，當(dāng)高差過于懸殊的時候，也可以采用使用外力將其墊高或降低。

④調(diào)整參數(shù)，即是否需要掃描色彩，掃描質(zhì)量的高低，掃描儀與物體的距離，分辨率等等。因為掃描出來的文件隨著其作用的不同，所需要的質(zhì)量也各不相同。例如，本次研究的傳統(tǒng)村落建筑，其目的是保護，因此需要得到建筑的各個細節(jié)，甚至各個構(gòu)件等等。正因如此，我們需要將掃描的質(zhì)量調(diào)整到最高，并打開色彩，這樣便會得到一份十分詳細的建筑掃描資料，為后期的拼合與建模提供了良好的前提條件。除此之外，若是使用3D激光掃描儀做一些舊城改造的項目時，我們便不需要使用這一套參數(shù)，因為，舊城改造最終落腳點是改造，掃描的目的是將現(xiàn)有不完美的建筑掃描出來作為初期參考，如此一來，我們只需要知道該建筑的外形及基本尺寸，因此，我們便沒有必要將色彩等等高級參數(shù)打開，占用內(nèi)存；另外，舊城改造的數(shù)量往往比較龐大，若是將質(zhì)量調(diào)整的很高，而極高質(zhì)量的掃描文件，往往會在5分鐘到8分鐘，這樣一來便會浪費很多不必要的時間，如果采用黑白中低質(zhì)量掃描，每掃描1個站點往往僅需要2分鐘到3分鐘，大大節(jié)省掃描工作，提高工作效率。

⑤開始掃描。在調(diào)整完所有參數(shù)，確定掃描儀已固定并處于水平狀態(tài)時，便可以開始掃描，這時的我們應(yīng)當(dāng)盡量處于一個不會遮擋目標(biāo)建筑的位置。因為當(dāng)我們站在目標(biāo)建筑前時，我們自己將被掃描儀完整掃入，而根據(jù)掃描儀的激光掃描機制，我們所遮擋的部分，在后期的掃描結(jié)果中，將會以黑影呈現(xiàn)，且無法粘貼，因此，為了避免這一不必要的麻煩，我們應(yīng)當(dāng)在掃描時離開目標(biāo)建筑，并盡量確保目標(biāo)建筑前不會有遮擋物。

圖1 3D激光掃描儀

圖2 掃描后獲得的影像資料

2.2 數(shù)據(jù)處理

①將掃描后的.fls文件全部拖入SCENE軟件中；

②新建群集“scan2”，將之前的.fls文件全部拖入新建的群集scan2中。之后將所有站點進行加載。建立新群集的目的是為了之后在進行點云數(shù)據(jù)拼合的過程中不會出現(xiàn)混亂的情況。因為當(dāng)所有站點放入SCENE軟件中，在軟件界面中就會發(fā)現(xiàn)所有的圖片重疊在一起難以區(qū)分，而SCENE軟件無法使用撤銷功能，所有的點云圖像一旦變換位置，方向或大小，便難以回到之前的狀態(tài)。正因如此，我們需要將暫時不需要拼合的站點文件先暫時放入“scan2”中，只保留2-3個站點文件，干凈且清晰，在我們將這2-3個文件拼合完成后，再從“scan2”中拖入另外的2-3個站點文件進行拼合，以此類推，最終完成所有拼合作業(yè)；

③布置掃描。注意使用云際模式。選中傾角儀，并將其余所有的傳感器關(guān)閉。在云際模式中將其二次抽樣調(diào)整至0.08左右；

④開始拼合。每次平和完成后需要檢查一次角度，然后開始更新掃描；

圖3 不同的站點拼合過程

圖4 添加色彩后的三維視圖

⑤扶正視圖，并創(chuàng)建點云掃描。首先選定參照面，然后定義參照面，并以此為標(biāo)準將圖像扶正；

⑥添加色彩，形成三維視圖瀏覽；

⑦裁剪視圖，創(chuàng)建裁剪框，至此形成.pts格式文件；

⑧由于.pts格式的文件無法直接被如CAD等的制圖軟件所識別，因此需要將.pts文件導(dǎo)入Autodesk ReCap軟件進行二次導(dǎo)入，轉(zhuǎn)換成可供CAD軟件操作的.rcs格式的文件。

2.3 圖紙繪制

①打開CAD軟件，更改操作單位單位，并添加.rcs文件。使用裁剪框剪出每個需要操作的部分；

②在改變其透明度的前提下，通過轉(zhuǎn)換不同的視角對影像資料進行繪制；

圖5 使用CAD對圖紙影像資料進行圖紙繪制

③在繪制完成后，通過隱藏.rcs格式文件檢查繪制的效果。

3 3D激光掃描技術(shù)成果結(jié)論

3D激光掃描技術(shù)是近年來剛發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，本文通過對傳統(tǒng)村落錦江木屋村進行掃描測繪，數(shù)據(jù)整理，有效證實了通過3D激光掃描技術(shù)可以將有待保護的傳統(tǒng)村落進行留存，在得到精確的圖紙之后，便可十分直觀的提取出各種希望得到的數(shù)據(jù)，如平面或線性距離、角度、半徑、體積和斷面等。用于后續(xù)的研究，為后續(xù)對建筑的研究提供了可靠的支持。

圖6 實景圖片與掃描結(jié)果

圖7 對比數(shù)據(jù)整理成果