激光掃描技術在中國古代建筑精細測繪中的應用——以西安鐘樓三維建模及精細測繪項目為例

李曉華 張 茹

(中煤航測遙感集團有限公司, 陜西 西安 710199)

0 引言

古代建筑作為中國古文化遺產(chǎn)保護的重點對象,具有獨特的建筑格局和深厚的文化底蘊,是我國古代勞動人民的智慧結晶,更是中國幾千年古文化的歷史積淀。但是,隨著朝代的更替,歲月的洗禮,以及自然和人為破壞等因素的影響,許多古建筑文物不斷地遭到侵蝕、損壞甚至是滅失。因此,對古代建筑的保護、修繕、重建、展示、研究等,是古建類文化遺產(chǎn)工作者的天然使命。

在進行古建筑及相關文物保護工作中,對古建筑本體進行測繪是必不可少的一項重要的基礎工作。但是,中國的古建筑形制多樣、結構復雜、工藝精巧,采用傳統(tǒng)的人工丈量等測繪方法,測量效率低、測量成果的精度和效果差,特別是一些隱蔽區(qū)域或人難以抵達的區(qū)域,采用傳統(tǒng)的測量方法根本無法進行。

三維激光掃描具有非接觸性、快速、高精度等優(yōu)點而被廣泛應用,特別是在古建筑文物精細測繪領域。利用三維激光掃描技術開展古建筑的精細測繪,不但可以為古建的保護和修繕提供準確的基礎數(shù)據(jù),還可以為這些文物瑰寶保留一份最真實、最全面、最原始的數(shù)據(jù)記錄,對古建筑文物的保護修復或重建等工作具有重大意義。本文以一個非常具有代表性的中國古建筑——西安鐘樓的三維激光建模及精細測繪項目為案例,詳細論述了三維激光掃描用于中國古建精細測繪的技術流程、作業(yè)特點、成果形式和優(yōu)缺點等,以期為從事古建保護測繪工作的工程技術人員提供借鑒。

1 項目背景

西安鐘樓位于中國陜西省省會西安市古城中心,是西安市的標志性古建筑,全國重點文物保護單位。為更好地研究、保護、修繕鐘樓,相關部門希望能通過精細測繪獲得一套完整、精確、全面、真實的數(shù)字化模型和圖紙,能夠準確表達鐘樓的整體外觀和形態(tài),建筑結構、裝飾和藝術風貌等。經(jīng)過科學地比較和選擇,決定采用三維激光掃描(Light Detection and Ranging, LiDAR)測繪的方式進行此項工作。

2 古建筑激光掃描測繪的技術路線

為獲取到高質量的點云數(shù)據(jù),生成高精度的三維模型,要按照標準化的數(shù)據(jù)獲取處理流程來獲取處理數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理一般分為三個部分:掃描前準備階段、掃描階段和數(shù)據(jù)處理階段。掃描前準備階段包括測區(qū)踏勘、制定掃描實施方案、設備和人員準備。掃描階段包括架設掃描儀、安放標靶,設置掃描參數(shù)、拍照并選擇掃描區(qū)域,完成各測站掃描工作。數(shù)據(jù)處理階段包括點云拼接、點云去噪、三維建模和數(shù)據(jù)應用。西安鐘樓三維激光掃描建模及精細測繪工作的技術路線如圖1所示。

圖1 古建激光掃描測量工作技術路線圖

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1激光數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描具體作業(yè)采用分站設點獨立掃描,各站點掃描數(shù)據(jù)之間保持一定比例(不少于30%)重疊的原則,所有能掃描到的數(shù)據(jù)都盡可能采集。首先,采用全站儀對鐘樓整體進行控制測量,并準確測量標靶(特征點)[3],用于后續(xù)的點云拼接工作;其次,采用三維激光掃描儀進行鐘樓建筑本體各部分的掃描。本項目采用的三維激光掃描儀是Z+F公司的IMAGER5006i,采用的照相機是Canon公司的EOS 5D Mark II單反數(shù)碼相機,具體參數(shù)如表1所示。在鐘樓外部及樓體內共設掃描站75站,掃描點位精度小于3 mm,點間距小于10 mm。

表1 IMAGER5006i三維激光掃描儀技術參數(shù)表

3.1.2紋理數(shù)據(jù)獲取

在掃描作業(yè)的同時,對建筑本體及各部分進行彩色攝影,作為編輯處理點云的參考和三維模型的貼圖紋理。本項目采用高分辨率數(shù)碼相機,采用先整體后局部的方法,以垂直角度對鐘樓的各個角落進行拍攝,拍攝時相鄰照片保證一定的重疊,保證能拍攝到文物的細節(jié),最大限度地避免后期對圖片的二次處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括點云數(shù)據(jù)處理和紋理數(shù)據(jù)處理。

3.2.1點云數(shù)據(jù)處理

因每一站點云數(shù)據(jù)都存在大量的噪點,且需要將不同測站的數(shù)據(jù)拼接融合為一個整體,因此,數(shù)據(jù)檢查完成后需對點云數(shù)據(jù)進行去噪、拼接等處理工作。

(1)掃描點云去噪

多種因素都會產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù),本項目激光掃描過程中的噪點主要來源于樓體周圍的工人和車輛、施工腳手架、修繕樓體時所用工具材料及產(chǎn)生的廢棄物等,這些噪聲對后續(xù)的建模精度影響較大。因此,必須在建模前進行點云數(shù)據(jù)的濾波去噪處理。

對于比較明顯的噪點數(shù)據(jù),例如空中飄浮點或特別突起點,這些點一般都是孤立于古建本體點云數(shù)據(jù)之外,可采用手工方法進行刪除。對于那些貼近本體的噪點,則需要將點云數(shù)據(jù)導入到Geomagic軟件中進行濾波操作以去除噪點,使掃描對象的點云整體連續(xù)且平滑。點云去噪前后如圖2所示。點云特征拼接前后如圖3所示。

圖2 點云去噪對比

圖3 點云特征拼接對比

(2)掃描點云拼接

不同掃描測站的點云拼接主要利用空間相似變換原理,以確定的主站為基準,通過標靶和掃描重疊區(qū)域的特征點、線、面等,對剩余的各站點云順序進行拼接和調整。拼接后的數(shù)據(jù)融合為一個整體,所有的點云數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一的坐標系中,這項工作稱為點云數(shù)據(jù)的整體配準。配準分為粗配準和精配準。

粗配準時,使用主元成分分析(Principle Compoent Analysis, PCA)減少數(shù)據(jù)集的維數(shù),同時保持數(shù)據(jù)集對方差貢獻最大特征。

精配準中常用的方法是迭代最近點(Iterative Closest Point, ICP)算法,原理是通過點云的不斷迭代,找到歐式距離最近點作為對應點,使目標函數(shù)最小化。

本項目點云拼接采用的是特征拼接和點云匹配相結合的方法。第一步,進行特征拼接。選取點云中多對同名特征點進行配準,首先使點云大致拼接成為一個整體如圖3(a)所示;第二步,進行點云匹配,就是利用迭代最近點(Iterative Closest Point, ICP)算法進行點云精確配準。經(jīng)過特征配準后相鄰的兩測站間的點云位置已經(jīng)相當接近,這樣在開始利用ICP算法進行精確配準時,算法就可以在很小的范圍內進行搜索相應的同名點,大大加快ICP的收斂速度,從而提高點云配準的速度和精度[4]。最終,點云整體拼接的誤差均在3 mm以內。拼接處理后的點云如圖3(b)所示。

3.2.2紋理數(shù)據(jù)處理

為使建筑模型更加逼真,需通過現(xiàn)場拍攝取得紋理原始圖像,并經(jīng)過后期處理得到更加真實的紋理,將紋理通過軟件映射到三維實體上構建照片級真實感三維模型。然而紋理數(shù)據(jù)在采集時會出現(xiàn)角度不對、遮擋、光線差、色調不均勻等問題,不能直接作為紋理圖片進行貼膜,在專業(yè)軟件中進行扭曲、勻色等處理后,用于三維建模。

4 模型

在對掃描采集的點云進行各項處理后,通過點云模型就可以看到被掃描物體的大致輪廓等結構屬性。但是,點云模型實際上還是一個離散點集合,不逼真,不直觀。因此,還需要對點云模型數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理[5],使被掃描物體形成一個完整的、直觀的表面模型。

4.1 三維模型構建

西安鐘樓本體的構成主要分為兩大類:第一類是有規(guī)則表面的構件或組件,即形狀比較簡單規(guī)則的結構,例如臺階、墻體等;第二類是不規(guī)則表面構件或組件,即對象本身的形狀比較復雜,例如:斗拱、浮雕、脊獸等。

三維實體重建包括提取輪廓線、三維幾何建模和紋理貼圖三個步驟。首先提取輪廓線。輪廓線的提取可以借助于AutoCAD軟件,也可以編程或借助于點云處理軟件或三維建模軟件來完成。其次,構建三維模型。將處理好的點云模型數(shù)據(jù)導入到Geomagic軟件中完成Nurbs曲面構建,對各種不規(guī)則的構件進行模型構建,完成后將其保存為obj格式的文件。將形成的obj文件導入到Maya軟件中進行完整的模型重建。最后進行模型的紋理映射。在三維動畫渲染和制作軟件(three-dimensional Studio Max, 3D MAX)或其他三維軟件中進行紋理貼圖,最終得到鐘樓完整的數(shù)字化表面模型。紋理映射是將預先采集的紋理數(shù)據(jù)按照某種映射算法覆蓋到文物三維模型的表面,創(chuàng)建紋理數(shù)據(jù)與文物模型的拓撲對應關系[6-7]。模型的紋理數(shù)據(jù)一般來源于掃描時獲取的文物影像數(shù)據(jù),也可來源于文物激光點云的紅綠藍三色(Red，Green，Blue, RGB)值[8-10]。三維模型渲染圖如圖4所示,模型細節(jié)如圖5所示。

圖4 鐘樓三維模型彩模渲染圖

圖5 鐘樓模型細節(jié)圖

4.2 模型精度評定

三維模型建成后,采取現(xiàn)場量測建筑本體結構或組件尺寸與對應的模型尺寸進行對比的方法,來檢驗模型的數(shù)學精度。現(xiàn)場檢驗測量采用鋼尺或手持激光測距儀進行,每個長度由三名不同人員各測量一次,取其平均值作為實測結果。檢驗現(xiàn)場共量取了20個不同的長度數(shù)據(jù),經(jīng)對比計算,得到這20組檢驗數(shù)據(jù)的中誤差為0.789 cm,如表2所示。

表2 模型精度評定

5 精細測繪和制圖

在構建完鐘樓樓體的三維模型后,根據(jù)樓體中一些重要部位的線性特征及樓體的整體輪廓,依據(jù)中國古建筑物測繪成圖的規(guī)則要求,即可在三維模型上進行精細測繪作業(yè)。精細測繪成圖的主要內容包括平面圖、立面圖、剖面圖、仰視圖、俯視圖、矢量線描圖等。

5.1 平面圖

本次西安鐘樓測繪一共繪制了基臺平面圖、一樓平面圖、一樓藻井平面圖、二樓平面圖、二樓藻井平面圖等多幅平面圖。部分平面圖如圖6所示。

圖6 平面圖

5.2 立面圖

本項目按南、北等方向分別繪制了鐘樓整體立面圖。南、北立面圖如圖7所示。

圖7 立面圖

5.3 剖面圖

根據(jù)西安鐘樓的建筑形制,繪制了東西剖面圖。具體如圖8所示。

圖8 鐘樓東西剖面圖

5.4 大樣圖和線描圖

中國古建筑結構復雜、做工精巧,各種裝飾繁復,精細測繪需要對一些特征部件進行精細準確的繪制,例如斗拱、脊獸、門窗、藻井、雕刻、壁畫等。這些部件的形體一般較小,但造型或結構復雜,一般需要采用較大的成圖比例尺。

5.4.1斗拱大樣圖

斗拱是中國建筑特有的一種結構。一般,凡是非常重要或帶紀念性的建筑物,才有斗拱的安置。斗拱的形制多樣,結構復雜,通常需要從不同視角分別繪制大樣圖。具體如圖9所示。

圖9 斗拱大樣圖

5.4.2門窗大樣圖

中國古代建筑多以梁柱木結構為主,墻體一般不承重,所以廊柱內柱與柱之間一般安裝格門或格扇代替墻面,多為六扇或八扇,既通風、采光、裝飾,又與外界隔斷。具體如圖10所示。

圖10 一樓門扇大樣圖

5.4.3脊獸線描圖

脊獸一般指殿宇屋頂?shù)奈谦F,是一種裝飾性建筑構件。具體如圖11所示。

圖11 脊獸線描圖

5.4.4浮雕線描圖

西安鐘樓的門扇槁窗雕鏤精美繁復,表現(xiàn)出明清盛行的裝飾藝術。每一層的門扇上均有8幅浮雕,一共64幅。每一幅浮雕均蘊含了一個古代典故。

6 激光掃描古建測繪的優(yōu)缺點

古代建筑大多具有唯一性、脆弱性、不可移動等特性,所以,古代建筑精細測繪是一項非常嚴謹且煩瑣的工作。通過西安鐘樓的激光掃描精細測繪項目,我們發(fā)現(xiàn)在古建文物精細測繪中,三維激光掃描技術相對傳統(tǒng)測繪有很大的技術優(yōu)勢,但也存在一些缺點和不足之處。

6.1 技術優(yōu)勢

(1)對古建本體影響小。在數(shù)據(jù)獲取時,三維激光掃描的非接觸掃描可以避免人為接觸古建本體而造成對古建筑物的不利影響或損壞。(2)可以準確獲得各種復雜形狀或不規(guī)則曲面。古建筑物一般都帶有不規(guī)則曲面特征,傳統(tǒng)的測量手段一般很難將其完整記錄下來,利用三維激光掃描技術可以高精度地以非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Splines)曲面的形式表達其相應特征。(3)測量效率高。三維激光掃描儀每秒可以采集數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個點,與傳統(tǒng)測量方式相比具有數(shù)據(jù)采集速度快,效率高的特點。(4)測量精度高。古建筑測繪工作一般需要較高的測量精度,三維激光掃描技術具有亞毫米級的掃描精度和毫米級的建模精度,完全可以滿足一般項目的精度要求。(5)數(shù)據(jù)成果豐富。目前的三維激光掃描儀大多都配置有照相機,可以在掃描的同時獲得影像數(shù)據(jù)。后期可以建立三維模型,制作動畫,測繪各種平面、立面、剖面圖。

6.2 技術缺陷

(1)由于中國古建結構復雜,利用三維激光掃描技術對古建筑進行測量時會存在大量無法掃描的或掃描不到的區(qū)域,從而造成對應區(qū)域的點云數(shù)據(jù)缺失,對點云拼接和數(shù)據(jù)擬合產(chǎn)生不利影響。(2)三維激光掃描設備昂貴,掃描的數(shù)據(jù)量大,后期處理時間長,對數(shù)據(jù)處理人員的技術要求高,導致作業(yè)成本較高,在經(jīng)費有限的情況下難以實施。(3)掃描用的激光對一些敏感文物具有損害性,例如壁畫等,這在一定程度上限制了該技術的應用領域。

7 結束語

本文通過分析與研究三維激光掃描測量技術在西安鐘樓三維建模及精細測繪項目中的應用,確定了該技術應用于古建測量的技術流程和關鍵環(huán)節(jié)。通過鐘樓三維模型的構建和精度評定,證明了三維激光掃描技術具有較高的測量精度。通過模型繪制了各種古建平面圖、立面圖、剖面、大樣圖、線描圖等,充分展示了該技術測繪成果的豐富性。最后,詳細分析了三維激光掃描技術在古建筑測繪應用中的優(yōu)點和缺點。通過高精度、永久性的保存這些數(shù)字信息,對恢復和傳承其文化和藝術價值在世界范圍內的應用和研究都具有重要意義。