基于三維激光掃描技術(shù)的大型古建筑精細(xì)三維重建

張鍵，董玉華

(1.河南省測繪工程院，河南鄭州450000;2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450000)

文物測繪是文物保護(hù)工作的基礎(chǔ)和前提工作。隨著人類活動(dòng)的日益影響，許多重要古建筑文物遭到不同程度的破壞。對文物進(jìn)行三維重建是文物保護(hù)的有效手段。我國古建筑測繪，常常是采用標(biāo)尺、標(biāo)桿手工測量，這種方法精度低、無明確的精度指標(biāo)，并會(huì)對文物造成一定程度損壞。隨著非接觸性測量方法——近景攝影測量技術(shù)的發(fā)展，這種測量方式也逐步運(yùn)用到古建筑保護(hù)中。但是這種方法并不能直接獲取目標(biāo)物的幾何信息;受攝影時(shí)光線不均勻的影響，文物的細(xì)節(jié)方面并不能得到完整的表達(dá);在對目標(biāo)物進(jìn)行控制測量時(shí)，布設(shè)在文物上的一些控制點(diǎn)仍會(huì)對其造成一定程度的破壞［1-4］。隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)以其非接觸測量、數(shù)據(jù)采集效率高等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，開始在古建筑的數(shù)字化保護(hù)與復(fù)原中扮演重要的角色［5-6］。本文以某大型仿古建筑為例，利用三維激光掃描和近景攝影測量技術(shù)對其進(jìn)行三維重建。

1 地面三維激光掃描的基本原理及技術(shù)優(yōu)勢

地面三維激光掃描(Terrestrial 3D Laser Scan)是一項(xiàng)集光、電、計(jì)算機(jī)等的高新技術(shù)，掃描原理是依據(jù)測量激光束從發(fā)射到返回所用的時(shí)間算出距離觀測值S，精密時(shí)鐘控制編碼器保證激光掃描能夠同步地測量出橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ［7］。

圖1 地面三維激光掃描系統(tǒng)掃描原理

激光掃描數(shù)據(jù)中所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是儀器自定義的三維坐標(biāo)系(見圖1［7］):坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處;Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi)，向上為正;X軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與Z軸垂直，且垂直于物體所在方向;Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，且與X軸、Z軸一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系，同時(shí)Y軸正方向指向物體。由此可得到激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為:

式中:S是點(diǎn)P到激光掃描儀的空間距離;α是橫向掃描角觀測值;θ是縱向掃描角觀測值。

三維激光掃描的原理決定了與傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方式不同，三維激光掃描系統(tǒng)每秒鐘以幾萬點(diǎn)的數(shù)據(jù)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以快速地獲取物體表面的幾何信息，直接生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其具有以下幾種優(yōu)勢:非接觸性測量(不會(huì)對文物造成損害);精度高，數(shù)據(jù)量豐富;速度快，能夠全天候工作;數(shù)據(jù)全面，易加工。

2 三維激光掃描的工作流程

三維激光掃描的工作流程一般分為三個(gè)步驟:擬定作業(yè)計(jì)劃，數(shù)據(jù)獲取和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。在具體實(shí)施之前應(yīng)制定詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃，主要包括:根據(jù)掃描對象的特點(diǎn)和精度要求，設(shè)計(jì)合適的作業(yè)路線和測站數(shù)，確定合理的掃描距離和采樣密度等。數(shù)據(jù)獲取階段包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，紋理信息的獲取等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后期數(shù)據(jù)處理的效果，因此在數(shù)據(jù)獲取階段還要初步驗(yàn)證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理階段主要是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、構(gòu)建網(wǎng)格、三維重建等過程［9-10］。數(shù)據(jù)處理階段較為費(fèi)時(shí)、復(fù)雜，在海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中要提取有用的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)處理人員的技術(shù)要求相對較強(qiáng)，不僅要掌握相關(guān)的測量知識(shí)，還要掌握專業(yè)的三維建模軟件，甚至還要具備一定的軟件開發(fā)能力。

3 三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

以仿古建筑某大學(xué)校門為例，本次掃描采用Leica ScanStation2三維激光掃描儀和Cyclone6.0配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于被測物體較大，掃描時(shí)采用多測站對目標(biāo)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整個(gè)掃描過程共設(shè)置21站，12個(gè)標(biāo)靶，目標(biāo)物上的石雕采用1 mm采樣密度，其他結(jié)構(gòu)采樣點(diǎn)密度為5 mm。為了保證拼接精度，每站掃描應(yīng)保持10%以上的重疊度，利用掃描儀可識(shí)別的標(biāo)靶作為相鄰點(diǎn)云數(shù)據(jù)的公共控制點(diǎn)，最終拼接精度為1～5 mm。某大學(xué)校門的整體拼接效果如圖2所示。

圖2 建筑物整體拼接效果圖

3.2 三維建模

點(diǎn)云模型和各類線畫圖能在一定程度上真實(shí)表達(dá)目標(biāo)的空間形態(tài)特征，但它們的表達(dá)能力有限，要描述目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，還需要構(gòu)建精細(xì)的TIN模型［10-11］。在建立目標(biāo)物的TIN模型時(shí)，需要進(jìn)行去噪處理、統(tǒng)一采樣、構(gòu)建格網(wǎng)、填補(bǔ)空洞和紋理映射等一系列技術(shù)手段。

(1)去除噪聲點(diǎn):三維激光掃描儀所得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是一個(gè)分布散亂的空間數(shù)據(jù)集合。在掃描過程中，激光設(shè)備的抖動(dòng)、激光散射等原因會(huì)造成無用數(shù)據(jù)，即噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)不僅會(huì)占用存儲(chǔ)空間和計(jì)算處理時(shí)間，還會(huì)對建模精度造成嚴(yán)重影響。因此，對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，是模型重建前的重要步驟。某大學(xué)校門去噪后的點(diǎn)方數(shù)據(jù)效果如圖3所示。

圖3 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(2)統(tǒng)一采樣:地面三維激光掃描儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)采用分站式掃描，因此相鄰兩站在掃描過程中會(huì)有一定的重疊區(qū)域，在數(shù)據(jù)拼接過程中會(huì)造成數(shù)據(jù)重疊，造成數(shù)據(jù)冗余。此外，目標(biāo)物離掃描儀的遠(yuǎn)近也會(huì)對點(diǎn)云密度造成影響，隨著掃描距離增加，數(shù)據(jù)點(diǎn)的密度逐漸減小。因此有必要在不影響數(shù)據(jù)精度的情況下，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)置某一閾值進(jìn)行重采樣。重采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率。某大學(xué)校門統(tǒng)一采樣后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖5 鏡像修復(fù)后效果

(4)紋理映射:紋理映射的主要目的是建立三維幾何模型與影像之間的紋理關(guān)系，即建立幾何模型上各三角形頂點(diǎn)與影像像素之間的對應(yīng)關(guān)系［13］。利用數(shù)碼相機(jī)將獲得的影像上的紋理賦給三角網(wǎng)模型，生成具有真實(shí)紋理的三維模型。在獲取目標(biāo)物的紋理信息時(shí)，由于圖像不是正射圖，因此照片的變形會(huì)導(dǎo)致紋理信息與實(shí)際信息出現(xiàn)偏差。首先對照片進(jìn)行處理校正，轉(zhuǎn)化為正視投影圖，再進(jìn)行紋理映射，紋理貼圖偏差會(huì)得到明顯改善。某大學(xué)校門的局部紋理映射效果如圖6所示。

圖6 局部紋理映射效果圖

(5)DLG產(chǎn)品制作:線劃圖件(DLG)是建筑文物傳統(tǒng)測繪的重要成果之一，包括平面圖、立面圖和剖面圖等，這些圖件可以直觀的表示建筑物尺寸、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等信息。利用Cyclone軟件中的CloudWorx插件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中，利用CAD的強(qiáng)大繪圖功能為制作各類線劃圖提供快速方便的途徑。本文中某大學(xué)校門的各類效果如圖7所示。

圖7 建筑物各類效果圖

4 結(jié)論

本文以仿古建筑某大學(xué)校門為例，詳細(xì)闡述了基于三維激光掃描技術(shù)的大型古建筑精細(xì)三維重建，充分發(fā)揮了三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，全面準(zhǔn)確地獲取該建筑物精細(xì)的三維空間數(shù)據(jù)，最終給出該建筑物的三維效果圖和線框圖，并總結(jié)了實(shí)際操作過程中解決的一些問題:

(1)在數(shù)據(jù)采集階段，由于目標(biāo)物表面過于復(fù)雜，三維激光掃描系統(tǒng)無法完全準(zhǔn)確地獲取其表面信息。需要利用近景攝影測量技術(shù)對某些缺失細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充，得到較為完整的幾何數(shù)據(jù)。

(2)在數(shù)據(jù)拼接過程中，隨著各掃描測站拼接次數(shù)的增加，點(diǎn)云的誤差隨之疊加且急速放大。因此，應(yīng)設(shè)置合理的測站數(shù)，盡量減少拼接次數(shù)并提高拼接精度。

(3)三維激光掃描儀能夠獲取建筑物完整的幾何信息，但無法獲取完整、準(zhǔn)確的紋理信息。在實(shí)際操作中，將三維激光掃描儀和高精度數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合，能夠?qū)⒐沤ㄖ娜S模型得到完整表達(dá)。

(4)在紋理映射過程中，會(huì)出現(xiàn)貼圖方向與法線方向夾角較大的情況，由于圖像分辨率有限會(huì)出現(xiàn)紋理的拉伸，使紋理失真。再處理過程中，先將圖片轉(zhuǎn)換為正視投影圖，再進(jìn)行紋理映射，紋理偏差會(huì)得到明顯改善。

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