三維激光掃描在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用

謝朝陽(yáng)

摘要：使用傳統(tǒng)的修繕方法進(jìn)行古建筑修繕，需要花費(fèi)大量的時(shí)間采集古建筑的相關(guān)信息，該文利用三維激光掃描技術(shù)獲取古建筑的三維點(diǎn)云并生成三維模型，基于三維模型進(jìn)行古建筑的修復(fù)，證明此方法具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；古建筑；三維模型

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）24-5752-02

1 前述

古建筑修復(fù)工作首先需要對(duì)古建筑進(jìn)行完整的測(cè)繪并數(shù)據(jù)存檔，利用存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和修復(fù)[1]。古建筑測(cè)繪工作主要針對(duì)研究對(duì)象的完整基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，如空間環(huán)境、古建筑局部細(xì)節(jié)等。傳統(tǒng)測(cè)量手段需要借助反射棱鏡等工具進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，單點(diǎn)的測(cè)量費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，甚至要花幾分鐘的時(shí)間對(duì)一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。三維激光掃描儀利用激光測(cè)距原理，直接對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描，獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包含X，Y，Z坐標(biāo)和物體反射率的信息，因此三維激光掃描技術(shù)具有快速、非接觸性、高精度等特點(diǎn)。

2 采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)

為了完整采集古建筑物的建筑信息，通常需要分站多角度進(jìn)行掃描。首先根據(jù)需要掃描的范圍和三維激光掃描儀的掃描參數(shù)，設(shè)計(jì)掃描控制網(wǎng)，布設(shè)掃描站點(diǎn)時(shí)應(yīng)有利于減少測(cè)量誤差，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量。為確保整體掃描質(zhì)量，相鄰兩站之間數(shù)據(jù)應(yīng)有30%左右的重合度，同時(shí)相鄰兩站間至少應(yīng)有三個(gè)不同線的公共靶標(biāo)。

實(shí)施掃描過程中，在設(shè)定站點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀時(shí)，應(yīng)注意避免掃描激光束與物體間夾角過小而造成掃描精度下降，同時(shí)掃描儀不要被其他物體過度遮擋[2]。掃描時(shí)應(yīng)根據(jù)掃描對(duì)象的復(fù)雜度選擇不同的掃描參數(shù)，如表面細(xì)節(jié)豐富的物體應(yīng)采用高分辨率掃描，表面特征平滑物體宜采用低分辨率掃描，以加快掃描速度。因目前三維激光掃描儀還沒有辦法直接獲取顏色信息，每站掃描結(jié)束后，可根據(jù)需要對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行拍照存檔，以獲取物體的色彩和紋理信息。

3 點(diǎn)云拼接

隨著測(cè)量距離的增加，三維激光掃描的掃描精度受環(huán)境影響呈下降趨勢(shì)，因此復(fù)雜的建筑物需要多站掃描， 每站掃描數(shù)據(jù)均是獨(dú)立坐標(biāo)，需要進(jìn)行拼接，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系。拼接時(shí)，以其中任一站作為控制網(wǎng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)云，其余測(cè)站點(diǎn)云與基準(zhǔn)點(diǎn)云兩兩配準(zhǔn)。為了提高拼接精度，通常采用靶標(biāo)拼接，點(diǎn)云間的拼接精度可達(dá)1毫米，如圖1所示。但由于掃描過程中可能出現(xiàn)靶標(biāo)遮攔或測(cè)量角度過大的情況，無(wú)法使用靶標(biāo)進(jìn)行拼接，此時(shí)需要利用兩站點(diǎn)云中公共區(qū)域的相同特征點(diǎn)配準(zhǔn)。

4 三維模型的建立

利用三維點(diǎn)云重構(gòu)三維模型， 通常有兩種方法：（1） 模型匹配法[3]：此方法自動(dòng)程度較高，從點(diǎn)云抽取出模型部分，與常用的三維模型組件（如柱體、錐體、長(zhǎng)方體等）進(jìn)行自動(dòng)匹配處理，達(dá)到建立三維模型的目的。這種自動(dòng)匹配方法適用于具有規(guī)則形狀的對(duì)象。（2） 古建筑多為不規(guī)則形狀，需要先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、重采樣等處理，生成高精度三角網(wǎng)格模型，利用Nurbs等擬合算法生成建筑的曲面模型[4]。本方法可生成高精度模型。最后利用映射功能可將照片中的顏色、紋理信息投影至三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，生成具有真實(shí)紋理的三維模型，如圖2所示。

5 三維模型的修復(fù)

古建筑因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，會(huì)造成部分損壞，利用三維網(wǎng)格模型，根據(jù)周圍網(wǎng)格信息，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)、調(diào)整，可以得到較準(zhǔn)確的數(shù)字模型。由于古建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表現(xiàn)特征豐富，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)化修補(bǔ)。針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)主要采用兩種方法： （1） 如果損壞出現(xiàn)在較平滑區(qū)域，如墻體時(shí)，可采用線性插值法填補(bǔ)缺乏數(shù)據(jù)[5]；（2） 如果損壞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，首先根據(jù)周圍網(wǎng)格信息計(jì)算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法進(jìn)行插值，并使用周圍點(diǎn)的顏色信息采用雙三次插值算法計(jì)算新生成網(wǎng)格點(diǎn)的顏色信息，達(dá)到較好的修復(fù)效果，如圖3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)測(cè)量、城市建筑測(cè)量、飛機(jī)船舶制造等領(lǐng)域，但該技術(shù)在古建筑中的修復(fù)應(yīng)用尚缺少足夠的參考案例，物體掃描精度與模型修復(fù)的完整度之間的關(guān)系、缺乏數(shù)據(jù)的重估精度分析等工作仍需要更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀斌，劉洋，張大為.三維激光掃描在古建筑物修繕中的應(yīng)用[J].吉林地質(zhì)，2009，28（4）：178-181.

[2] 劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2006，15（1）：48-49.

[3] 王亮.三維激光技術(shù)在建筑物重建與恢復(fù)工作中的應(yīng)用研究[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18（6）：438-440.

[4] 王曉峰.三維激光掃描技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用[D].同濟(jì)大學(xué)，2009.