三維技術(shù)在潘家口長城烽火臺修繕中的應(yīng)用

許 偉 韓會偉 唐子奇

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)調(diào)查院 石家莊 050081)

研究主要目的是為文物保護部門提供潘家口長城烽火臺修繕工程所需要的三維數(shù)據(jù)，研究中使用三維激光掃描技術(shù)，因為相對于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有的明顯的優(yōu)勢：它能夠完整地重建掃描實物，快速獲得高精度原始點云數(shù)據(jù)，其掃描獲得點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集于目標的真實數(shù)據(jù)，使得后期處理的成果真實可靠。

此段長城維修性質(zhì)定位為現(xiàn)狀修整，堅持最小干預(yù)的原則，所有涉及的補砌、修補、添加等措施均以長城的安全為目的，且與相鄰部位墻體相協(xié)調(diào)，保持整個長城歷史滄桑感，保留和展示各時期長城特點，把保證長城安全性和真實性放在首位。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)長城位于河北省遷西縣西北和寬城滿族自治縣西南部，為寬城縣與遷西縣共有，地理位置如圖1所示。

該段長城是明代薊鎮(zhèn)長城的重要組成部分，始建于洪武年間，嘉靖、萬歷年間重修。位于河北省遷西縣西北和寬城滿族自治縣西南部，為寬城縣與遷西縣共有。自潘家口水庫1979年蓄水后，部分長城被淹沒在水中。淹沒線以上長城保存較好，包括磚石長城和石墻長城，內(nèi)外墻保存基本完整，局部坍塌，墻頂殘存地面磚，地面覆蓋的積土上生長了大量植物，對長城風(fēng)貌形成了遮擋，內(nèi)外側(cè)垛口墻部分殘存。由于自然侵蝕和人為破壞，此段長城的墻體、墻芯、垛口墻、宇墻、地面受到不同程度損壞，有的甚至影響長城結(jié)構(gòu)安全。部分外包磚墻坍塌缺失造成墻芯結(jié)構(gòu)松散，加速了城墻破壞速度，部分長城現(xiàn)狀如照片1、2。

圖1 研究區(qū)地理位置概況圖

照片1 長城峰火臺內(nèi)部現(xiàn)狀

照片2 長城部分城墻現(xiàn)狀

2 三維點云內(nèi)業(yè)處理

外業(yè)掃描生成的點云數(shù)據(jù)，需導(dǎo)入進專門的點云處理軟件中處理。內(nèi)業(yè)點云處理采用與徠卡C10掃描儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。內(nèi)業(yè)處理主要有點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、球形標靶定位、點云附加照片、點云數(shù)據(jù)的拼接、點云數(shù)據(jù)的去噪、點云數(shù)據(jù)的優(yōu)化抽稀、點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

2.1 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

內(nèi)業(yè)人員在電腦中建立文件夾存放不同次的掃描數(shù)據(jù)，打開Cyclone軟件，并新建數(shù)據(jù)庫，采用掃描儀專用數(shù)據(jù)線與掃描儀直連的方式，將外業(yè)掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中。

2.2 球形標靶定位

軟件提示數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功后，打開各測站Model Spaces下的Modelspace View點云文件，按照外業(yè)掃描時繪制的球形標靶位置示意圖，在點云中確定標靶的具體位置(圖2)。

圖2 點云中確定球形標耙的具體位置

在外業(yè)掃描完成后，徠卡C10三維激光掃描儀內(nèi)置的同軸相機對各測站都進行全景拍照，Cyclone8.0軟件支持直接在點云中附加照片，照片會貼在每一個點云上，可使掃描效果更加真實，方便區(qū)分不同材質(zhì)的墻體，效果如圖3所示。按上述方法，對外業(yè)掃描的各站數(shù)據(jù)進行球形標靶定位。

圖3 點云數(shù)據(jù)附加照片后效果

2.3 點云數(shù)據(jù)拼接

外業(yè)掃描時采用球形標靶定位，通過RTK獲取了控制點的經(jīng)緯度及高程坐標，利用徠卡掃描儀自帶軟件的點云拼接模塊進行點云拼接：選中需要拼接的數(shù)據(jù)所在的文件，創(chuàng)建一個拼接，打開拼接窗口，將要拼接的多個Scan World和測量坐標添加到拼接窗口中，將測量坐標設(shè)置為Home Scan World，自動添加約束條件，拼接多站掃描得到完整的Scan World，拼接完成后顯示拼接誤差，先除去超標誤差值，再重新計算誤差，直到誤差滿足項目規(guī)定的誤差要求，最后凍結(jié)這個拼接，生成新的Scan World(圖4)。

圖4 高精度原始點云數(shù)據(jù)

2.4 點云數(shù)據(jù)去噪及抽稀

研究區(qū)噪點主要為山上樹木、雜草、空氣中的灰塵及儀器自身性能造成的散亂點。對于易判別的散亂點，肉眼判別后直接將其刪除；對于遮掩造成的噪點采用窗口最小值重復(fù)濾波法，可以去除大部分噪點(圖5)。

圖5 去噪后的點云數(shù)據(jù)

外業(yè)掃描采用的是高精度進行掃描，其具體參數(shù)為100 m距離處：水平間距為0.05 m、豎直間距為0.05 m。掃描產(chǎn)生的點云數(shù)據(jù)量非常龐大，盡管通過去噪后整個點云數(shù)據(jù)量降低了約20%，但點云數(shù)據(jù)量仍然龐大，使得后期處理速度非常緩慢。內(nèi)業(yè)人員利用Cyclone8.0軟件的抽稀模塊Unify Clouds，將點云按照1 m的參數(shù)進行抽稀。需要特別注意點云抽稀不可逆，要對點云數(shù)據(jù)提前備份。

3 三維剖面制作

3.1 點云剖面截取

為了勾繪烽火臺剖面圖，對烽火臺三維點云截取多個剖面。按照文物保護部門要求，需要截取烽火臺外墻三個面，內(nèi)部指定位置兩個剖面，樓梯中間位置剖面，走廊拱門中間位置東西兩處、南北兩處共四處剖面。截取的剖面點云如圖6、7所示。

圖6 烽火臺外墻面三維點云截面

3.2 剖面圖的繪制

烽火臺剖面圖可以有效的輔助文物保護設(shè)計單位制定工作計劃，為文物保護設(shè)計單位提供了非常重要的數(shù)據(jù)。目前各個三維激光掃描儀廠家的自帶軟件具有繪圖功能，但導(dǎo)出格式有限制，常不能和其它工程繪圖軟件結(jié)合使用。因此作業(yè)人員需要將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到常用的工程繪圖軟件中進行進一步處理，本次項目采用AUTO CAD軟件制作剖面圖。

三維掃描儀掃描得到的點云數(shù)據(jù)量非常龐大，如果直接導(dǎo)出，會因為計算數(shù)據(jù)量過多而出錯，所以在導(dǎo)出文件之前，先要對點云數(shù)據(jù)進行進一步的抽稀操作。

經(jīng)過抽稀，將原來數(shù)十萬個點云數(shù)據(jù)抽稀減少為5萬多個，抽稀后的點云具體數(shù)量，在導(dǎo)出數(shù)據(jù)時可以顯示。

圖7 烽火臺樓梯中間位置三維點云截面

使用AUTO CAD 2012需要加載專用的點云處理模塊，如圖8所示。

圖8 CAD加載點云處理模塊

按文物保護設(shè)計單位要求，對導(dǎo)出的點云繪制剖面圖(圖9、圖10與圖6、圖7對應(yīng))。烽火臺外墻繪制圖中，較大不規(guī)則圖形代表烽火臺的觀望口，小矩形代表破損的磚塊；烽火臺外墻繪制圖中，平行部分為走廊頂部，弧形部分為拱門。根據(jù)導(dǎo)出的點云繪制剖面圖，文物保護設(shè)計單位再根據(jù)剖面圖制定修繕計劃。

圖9 烽火臺外墻繪制圖

圖10 烽火臺內(nèi)部繪制圖

4 結(jié)論

以潘家口長城烽火臺為例，介紹了利用三維激光掃描儀拼接點云數(shù)據(jù)的方法，詳細介紹了如何將Cyclone、AUTO CAD等軟件結(jié)合起來，通過點云數(shù)據(jù)進行三維拼接、繪圖的整個過程。

將三維激光掃描儀引入文物保護是對傳統(tǒng)文物保護方法的擴展與補充，在極大提高工作效率的同時提高了文物修復(fù)的精度，而且在某些條件下提供了傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

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