三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用

李莎莎+焦元冰

摘 要：作為一種新型的測繪技術(shù)，在文物建筑測繪中，三維激光掃描在其中發(fā)揮了重要的作用。本文就三維激光掃描在吳山石佛院建筑測繪中的應(yīng)用進行簡要的分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物建筑測繪；應(yīng)用

0 前言

石佛院，位于杭州吳山風(fēng)景區(qū)， 在院內(nèi)依山鐫刻有五尊石佛，開鑿于五代吳越國時期，為杭州市內(nèi)現(xiàn)存最大的石刻造像，具有較高的藝術(shù)價值、研究價值和文物價值，1992年被列為杭州市級文物保護單位。下文就三維激光掃描在其中的應(yīng)用進行探討。

1 三維激光掃描的工作原理

三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取地形及復(fù)雜物體的表面的三維點云數(shù)據(jù)。其工作原理是：通過激光反射這一裝置，掃描儀對目標(biāo)進行激光發(fā)射，通過對掃描儀內(nèi)置的計時系統(tǒng)進行充分的利用，就可以測出激光發(fā)射和接受的時間差，從而計算出相應(yīng)被測點和掃描儀間的距離。根據(jù)以下兩個方向的角度值，一個是水平方向；另一個是垂直方向，就能將被測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行測算，然后將點云數(shù)據(jù)進行儲存，將其輸入計算機的存儲設(shè)備之中。再對這些數(shù)據(jù)進行處理，就能得到實體的三維幾何模型。

2 主要優(yōu)勢

（1）高精度：三維激光掃描技術(shù)在作業(yè)過程中人為干預(yù)比較少，尤其在數(shù)據(jù)采集階段，極大的減少了人為因素產(chǎn)生的誤差，且其本身的測量精度可以達到毫米級。

（2）非接觸式：三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式激光測量方式，對目標(biāo)物進行掃描，獲取其表面的三維坐標(biāo)信息。因此避免了在測量過程中對目標(biāo)物造成的接觸式損害。

（3）高效率：對于三維激光技術(shù)來說，每秒能采集百萬個點以上的數(shù)據(jù)，可以快速的完成外業(yè)采集工作，相對于傳統(tǒng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度提高了數(shù)倍。

由于三維激光掃描技術(shù)有著高精度、非接觸式、高效率、直觀性強等優(yōu)點，在文物保護領(lǐng)域之中，該技術(shù)將會發(fā)揮較大的作用。

3 該技術(shù)在吳山石佛院建筑測繪中的應(yīng)用

3.1 確定工作內(nèi)容

石佛院造像現(xiàn)狀測繪的工作內(nèi)容包括：

（1）通過對石佛院造像及其所賦存巖體進行三維激光掃描，并將點云數(shù)據(jù)進行拼接、去噪、抽稀、統(tǒng)一化等處理，制作造像正射影像圖、平面圖。

（2）利用處理好的點云數(shù)據(jù)，建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型，利用模型制作立面圖、剖面圖。

（3）通過對模型進行紋理設(shè)置和貼圖等處理，制作真彩三維模型。

（4）最后把真彩三維模型導(dǎo)入引擎，制作動畫和虛擬互動應(yīng)用程序。

3.2 技術(shù)設(shè)計思路

本項目將綜合運用三維激光掃描、GPS-RTK測量、數(shù)字地形測繪、精密工程測繪、數(shù)字?jǐn)z影測量以及虛擬現(xiàn)實（VR）等技術(shù)手段，提供豐富的測繪成果，為文物保護與研究提供了詳細的資料。總體技術(shù)流程圖如下圖所示。

3.3 三維激光掃描

第一步：根據(jù)佛龕形狀及周邊樹木等遮擋物的位置，對測站點的位置以及標(biāo)靶位置進行科學(xué)合理的選擇。本次測繪共計布設(shè)了13個測站，在這之中，有10站是針對整個石壁進行的掃描，至于剩下的幾站，則主要是對石佛院整個院子進行的掃描。設(shè)站方式主要是運用任意設(shè)站的測量方式，也就是每站都是獨立坐標(biāo)，各站之間的點云數(shù)據(jù)，則是通過標(biāo)靶拼接成一個統(tǒng)一的獨立坐標(biāo)系，然后實測三個標(biāo)靶的杭州坐標(biāo)系坐標(biāo)，把拼接后的坐標(biāo)系歸算到我們使用的平面直角坐標(biāo)系中。

第二步：本次使用的標(biāo)靶為3"標(biāo)靶，為了使點云配準(zhǔn)的精度得到確保，標(biāo)靶的布設(shè)有著一定的規(guī)范，要布設(shè)在不同的高度以及不同的平面位置。在測站上掃描3個以上標(biāo)靶，并對標(biāo)靶掃描信息進行實時檢查，使標(biāo)靶掃描的正確性得到有效的保障。

第三步：采用高分辨率掃描和合適的掃描范圍，并采用外置相機，來對全景影像進行拍攝，以便得到完整點云數(shù)據(jù)。

3.4 點云數(shù)據(jù)處理

第一步：采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理與配準(zhǔn)。將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入，通過公共標(biāo)靶點，可以實現(xiàn)各站數(shù)據(jù)的拼接。對于拼接完成的點云數(shù)據(jù)，我們再對其進行統(tǒng)一的處理。

第二步：由于三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)時，其掃描范圍較廣，會包含所有地的所有信息，這樣一來，就會采集一些沒有用處的數(shù)據(jù)，若不對這些數(shù)據(jù)進行清除，就會對后期的點云建模產(chǎn)生重要的影響，故此，一定要將這些噪點進行去除。但是從Cyclone這款軟件的功能上來看，能夠沒有自動去噪的這個功能，因此只能依靠人工的手段，來一點一點的去除噪點。通過軟件的切片功能，將點云切成一定寬度的片狀顯示，并設(shè)置一個好的視角，從幾個不同的視角中選擇和檢查操作的點云，以免意外的刪除掉前面或背后的有用的點云。

第三步：去噪完成后，整個崖壁的點云數(shù)據(jù)仍然是非常龐大的，所以需要對點云數(shù)據(jù)進行切割，獲取各龕與各佛像的獨立點云數(shù)據(jù)。以便后期的協(xié)調(diào)作業(yè)，提高工作效率。

3.5 三維建模

第一步：將處理后的點云數(shù)據(jù)進行整理，然后將其導(dǎo)入到Geomagic這款軟件之中。

第二步：將導(dǎo)入的點云進行著色處理，使其能夠更好地顯示點云，接下來再進行一些幾種操作：（1）非連接項；（2）去除體外孤點；（3）減少噪聲；（4）封裝等。

第三步：首先，將封裝的對像數(shù)據(jù)進行流行操作，再對其進行填充孔的處理；用砂紙打磨多邊形，將一些凸起的特征，或多余特征進行去除，再對多邊形模型進行松弛操作；其次，對相交區(qū)域進行修復(fù)，對于一些不規(guī)則三角形數(shù)據(jù)進行去除，最后，圍繞各處邊界來進行操作處理。

3.6 存在的問題

三維激光掃描雖然可以對造像的三維模型進行逼真的重建，可以對造像的坐標(biāo)信息進行快速的獲取，但是這種技術(shù)也存在著或多或少的問題

（1）由于造像相對來說較為復(fù)雜，在對數(shù)據(jù)進行采集時，往往會存在測量“死角”，例如，在造像的頂部與石壁連接處，或者是造像被樹木遮擋處等，所以根據(jù)點云建立起的三維模型，就會呈現(xiàn)較多的表面空洞，而要想處理這些空洞，則需要工作人員進行手動修補，這樣一來，就在一定程度上影響了建立的模型精度。

（2）在點云去噪時，主要是采用人工去噪的這一方法，這種處理手段有可能會把正確的點云刪除。特別是當(dāng)石壁上存在一些雜草時，這些點云數(shù)據(jù)就很難進行處理，因為它們會緊貼著石壁，很難根據(jù)噪點數(shù)據(jù)的以下幾種特性來進行刪除，一種是非連續(xù)性、另一種是離散性等，從而影響了建立的模型精度。

4 結(jié)語

由于篇幅受限，本文重點對三維掃描技術(shù)進行了講述，至于立面圖的繪制以及正射影像圖的制作等都沒有進行講述。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也取得了不斷的發(fā)展，它的出現(xiàn)創(chuàng)新了文物建筑測繪的方法，會為我國的文物保護工作提供重要的助力。

參考文獻

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