基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑測(cè)繪與建模探討

白冰

（遼寧省地理空間成果應(yīng)用中心，遼寧沈陽 110034）

中國(guó)有悠久歷史，祖輩留下的古建筑都是寶貴的文明結(jié)晶，是中華文化的傳承。但任何建筑都是有壽命，天氣和其它不可抗力因素也會(huì)加大建筑物的破壞，隨著時(shí)間的推移，再堅(jiān)固的建筑也會(huì)消亡。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪手段迎來了三維激光掃描的技術(shù)革命，在城市建筑測(cè)量，地形測(cè)繪、變形監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水利工程、電力設(shè)施等方面都得到了很好應(yīng)用，其高效、精準(zhǔn)、快速、實(shí)時(shí)、高密度等特點(diǎn)，使它成為目前測(cè)繪古建筑最好的手段。

測(cè)繪行業(yè)傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪手段主要通過全站儀、水準(zhǔn)儀、RTK等儀器單點(diǎn)測(cè)量采集，效率低，數(shù)據(jù)采集不全面。三維激光掃描是一種非接觸式測(cè)量手段，整合了激光技術(shù)和測(cè)量技術(shù)，可以快速高效采集目標(biāo)物體的三維空間數(shù)據(jù)和材質(zhì)紋理等信息。

一、基本原理和特點(diǎn)

1.三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描的原理是激光測(cè)距，發(fā)射器發(fā)射出一個(gè)激光信號(hào)，通過被測(cè)物體表面的漫反射所反彈，沿著與原發(fā)射路徑幾乎相同的軌跡，回到三維激光掃描儀的接收器之中，儀器內(nèi)部軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析，記錄被測(cè)目標(biāo)表面點(diǎn)的空間三維信息、反射率信息和紋理信息等。

2.三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)繪手段相比擁有十分突出的優(yōu)勢(shì)：一是精確度高，傳統(tǒng)的測(cè)量手段精度完全依靠點(diǎn)位之間的坐標(biāo)構(gòu)建，點(diǎn)位精度取決于點(diǎn)位的設(shè)置，而三維激光掃描其精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，精度分布也十分的均勻；二是非接觸測(cè)量，無需棱鏡就可以對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，使測(cè)量人員的操作空間更大；三是受外界條件影響較小，三維激光掃描是通過激光測(cè)距來獲取數(shù)據(jù)，無論是白天黑夜，光照條件優(yōu)劣都能可靠的采集數(shù)據(jù)；四是采集數(shù)據(jù)帶有被測(cè)物體的光學(xué)特征，可以獲取目標(biāo)物體的色彩紋理信息。

二、技術(shù)流程和內(nèi)容

1.技術(shù)流程

首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)，再使用三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)，得到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后在Recap軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后在Revit軟件中進(jìn)行古建筑建模。

2.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的流程為：現(xiàn)場(chǎng)勘探—控制網(wǎng)布設(shè)—測(cè)站點(diǎn)布設(shè)—建筑物掃描?，F(xiàn)場(chǎng)勘探的目的是摸清建筑物及四周的地形環(huán)境，便于設(shè)置測(cè)站點(diǎn)和測(cè)站數(shù)。使用三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位掃描，采用自由設(shè)站的方式，保證覆蓋建筑物的同時(shí)盡量減少測(cè)站數(shù)，降低配準(zhǔn)次數(shù)和誤差。在測(cè)量的時(shí)候，要求相鄰測(cè)站之間有一定的重疊區(qū)域，測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)會(huì)用到標(biāo)靶，這是因?yàn)榻ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜需要多次掃描，各測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)要整合為一體，這就需要同名特征點(diǎn)來幫助匹配，標(biāo)靶的作用就是代替同名特征點(diǎn)。在標(biāo)靶的布設(shè)時(shí)，要確定兩個(gè)相鄰的測(cè)站之間有三個(gè)及以上的公共標(biāo)靶，但是標(biāo)靶不能在同一條直線上，標(biāo)靶和測(cè)站點(diǎn)之間也要確保通視。建筑物掃描時(shí)，儀器的架設(shè)要略高一些，可以提高掃描的精準(zhǔn)度和減少冗余數(shù)據(jù)量。對(duì)于建筑物不同的部分，掃描的精度距離要因地制宜，確保達(dá)到理想的掃描結(jié)果（圖1）。

圖1 原始點(diǎn)云圖

3.數(shù)據(jù)處理

（1）點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的目的是為了將各測(cè)站的數(shù)據(jù)整合到一起，即同名坐標(biāo)點(diǎn)位映射。各測(cè)站點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)系都是獨(dú)立坐標(biāo)系，先將不同測(cè)站的點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系里面，然后進(jìn)行點(diǎn)云拼接，拼接操作的本質(zhì)是誤差函數(shù)的運(yùn)用，用來體現(xiàn)各點(diǎn)云重合區(qū)域之間的吻合水平與程度。使用最小二乘法進(jìn)行迭代運(yùn)算，盡可能的減小誤差，實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的合理拼接。在統(tǒng)一坐標(biāo)系的配準(zhǔn)過程前，需要解算出點(diǎn)位坐標(biāo)的7個(gè)變換參數(shù)（3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，3個(gè)平移參數(shù)，1個(gè)尺度參數(shù)）。在解算參數(shù)的基礎(chǔ)之上，采用七參數(shù)法進(jìn)行配準(zhǔn)，還可使用其他方法配準(zhǔn)，如ICP迭代最近點(diǎn)算法和四元素配準(zhǔn)算法。

（2）點(diǎn)云去噪濾波

測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差，會(huì)影響點(diǎn)云質(zhì)量，產(chǎn)生點(diǎn)云中的噪點(diǎn)。噪點(diǎn)產(chǎn)生的原因分三種：一是環(huán)境因素，刮風(fēng)下雨或落塵揚(yáng)灰等都會(huì)讓掃描采集時(shí)記錄下不需要的數(shù)據(jù)，要減少這種數(shù)據(jù)，需在掃描前設(shè)置好參數(shù)，保證有合適的閥值避免誤差；二是儀器本身和操作人員操作能力的問題；三是被測(cè)物體本身，不同的材料、顏色和紋理對(duì)激光的反射率不同，都能造成誤差，這種誤差的消減需在測(cè)量時(shí)盡可能保持合適的掃描距離。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)里的噪點(diǎn)會(huì)對(duì)后續(xù)的建模等工作帶來影響，需要對(duì)其進(jìn)行平滑式處理。點(diǎn)云濾波處理噪點(diǎn)的方法主要有中值濾波法，平均值濾波法和高斯濾波法。本文采用中值濾波法來進(jìn)行濾波去噪，中值濾波法是在一個(gè)指定的區(qū)域內(nèi)用3個(gè)相鄰的點(diǎn)位數(shù)據(jù)的平均值替換原目標(biāo)點(diǎn)的值，主要能清除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的毛刺，突起等。

（3）點(diǎn)云切割

三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大量且密集，運(yùn)行數(shù)據(jù)較吃力。為了更好處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，將不需要的大部分點(diǎn)云剔除。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的切割方法有很多，本文采用基于混合區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)切割方法，具體步驟是先經(jīng)過二次曲面技術(shù)擬合測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再加上曲面高斯曲率與平均曲率結(jié)合，就可以對(duì)原始的區(qū)域開始進(jìn)行分割，初始邊界的提取采用基于邊的方法，最后可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的良好分割（圖2）。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)切割

（4）點(diǎn)云簡(jiǎn)化

點(diǎn)云的簡(jiǎn)化是為了盡可能的減少建模過程中不需要的點(diǎn)，簡(jiǎn)化必須保障后續(xù)的操作效率與建成模型的精度，這是點(diǎn)云簡(jiǎn)化的重點(diǎn)。簡(jiǎn)化前要根據(jù)實(shí)際需求先設(shè)好誤差上限值，使輸出成果更符合需求。對(duì)于點(diǎn)云的簡(jiǎn)化，根據(jù)點(diǎn)云中數(shù)據(jù)點(diǎn)彼此之間的空間位置關(guān)系，來設(shè)計(jì)其空間拓?fù)潢P(guān)系（網(wǎng)格），解算出每個(gè)空間點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些信息的大小來優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.古建筑三維建模

（1）建?；A(chǔ)準(zhǔn)備

在Revit軟件中打開點(diǎn)云文件后，首先需要建立軸網(wǎng)標(biāo)高和視圖范圍，軸網(wǎng)是在平面中確定模型的范圍，標(biāo)高則控制模型高度，沒有軸網(wǎng)和標(biāo)高，模型構(gòu)建時(shí)則無法精確控制其位置。標(biāo)高可以根據(jù)個(gè)人的需求來設(shè)定，這里是設(shè)置到每層樓板的底部。標(biāo)高可以根據(jù)建筑不同部分設(shè)置多個(gè)。打開標(biāo)高視圖，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不是正南正北方向，因?yàn)樵谄唇拥倪^程中沒有指定正方向，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏移。找到要建模的建筑，沿著建筑外邊做一條輔助線，在這條輔助線的一端做一條正方向的輔助線，重置建筑的旋轉(zhuǎn)中心，將旋轉(zhuǎn)中心放置到兩條輔助線的交點(diǎn)處，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)至正南正北方向。

（2）古建筑各部分的構(gòu)建

古建筑各部分的構(gòu)建需根據(jù)實(shí)際情況確定，主要包括墻體、門窗、屋頂和其它部分（圖3）。墻體的建立是結(jié)合導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)描圖，根據(jù)三維視野中點(diǎn)云厚度確定墻體的后度。門窗的建立首先在立面圖中先做輔助線，輔助線來確定門窗的位置和尺寸，并移動(dòng)使其位置對(duì)齊。屋頂?shù)膭?chuàng)建方法是結(jié)合點(diǎn)云圖像選擇屋頂所在標(biāo)高，框選出范圍并設(shè)置角度，使用跡線繪出屋頂，在立面圖中調(diào)整位置，屋頂裝飾物使用內(nèi)建模型來構(gòu)建。其它部分構(gòu)建是沿著圖像使用樣條曲線進(jìn)行捕捉，盡量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)做到貼合，線條繪制完成后在三維視圖中確定模型厚度與位置，場(chǎng)景中其他小構(gòu)建可通過建族來完成，建立多種族后載入項(xiàng)目擺放到指定位置即可。

圖3 建模成果渲染圖

三、結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)有著極為廣泛的發(fā)展前景，亦是各行業(yè)應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。本文以三維激光掃描的應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，基于三維激光掃描技術(shù)在古建筑的測(cè)繪與建模方面進(jìn)行了探討，包括了數(shù)據(jù)的采集、處理和建模，結(jié)果表明三維激光掃描在空間三維信息的獲取有著巨大的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)測(cè)量方法手段進(jìn)行互補(bǔ)，可以提高測(cè)繪工作效率，獲得更佳的測(cè)繪產(chǎn)品。