基于三維激光掃描技術(shù)的人防工事模型重構(gòu)與應(yīng)用分析

王 敏，杜偉吉，段 偉

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

20世紀60年代末，出于國防建設(shè)的需要，南京市在古城墻內(nèi)部修建了大規(guī)模的人防工事，它們是南京特定歷史時期的產(chǎn)物，是具有一定歷史見證價值和重要紀念意義的近現(xiàn)代遺產(chǎn)，同時也是南京城墻的一大特色，有著較高的保護和利用價值。

南京城墻內(nèi)部人防工事由于未加利用，廢棄多年，政府已準予報廢，普遍存在較嚴重的病害風(fēng)險。因此，需對南京城墻人防工事進行科學(xué)調(diào)查研究、勘探測繪、風(fēng)險評估、保護設(shè)計、安全監(jiān)測、合理利用等一系列活動，以盡快排除南京城墻的安全風(fēng)險，并為后期城墻整體保護設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進一步規(guī)范和提升南京城墻的文化遺產(chǎn)保護管理水平，為申報世界遺產(chǎn)工作提供切實保障。

三維激光掃描技突破了傳統(tǒng)單點精確測量的局限，可以大面積地獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)，具有連續(xù)、快速、非接觸、自動、全天候工作等優(yōu)勢。人防工事狹長且內(nèi)部環(huán)境惡劣，對其保護利用需要提供豐富多樣的基礎(chǔ)資料和成果。本文以某段人防工事為例，研究三維激光掃描的工作流程，并以點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行三維模型的重構(gòu)和測繪圖的制作，完成對點云模型質(zhì)量的分析評價。

1 人防工事三維激光掃描的工作流程

人防工事的三維激光掃描的實施過程包括前期準備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果數(shù)據(jù)展示與分析4個階段。

(1) 前期準備階段。人防工事長期未使用、封閉未開啟，針對項目具體情況，在項目實施開始階段進行項目整體規(guī)劃，主要進行作業(yè)區(qū)域資料收集，包括規(guī)劃圖、歷史資料等，而后進行作業(yè)區(qū)域踏勘、線路規(guī)劃設(shè)計等前期準備工作。

在數(shù)據(jù)采集前，要對整個人防工事進行區(qū)段劃分，以人防工事分布作為劃分原則進行掃描區(qū)段分塊。采集人員在作數(shù)據(jù)采集和記錄時，要將對應(yīng)的采集數(shù)據(jù)、現(xiàn)場草圖、控制點等分塊記錄到數(shù)據(jù)記錄表中，以便數(shù)據(jù)能及時管理和組織。

(2) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集。對于外業(yè)數(shù)據(jù)采集，制定詳細的外業(yè)數(shù)據(jù)采集作業(yè)規(guī)范。針對本文項目實際情況，采用P40掃描儀采集、測距儀或鋼尺數(shù)據(jù)采集及外業(yè)調(diào)繪補采(相機采集紋理)多種方式，保證外業(yè)采集數(shù)據(jù)的完整性。

(3) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。對于激光點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)高效預(yù)處理工作，并利用獲取的控制點數(shù)據(jù)完成點云拼接。通過切割點云，將點云切片在AutoCAD中繪制人防工事的測繪圖，并在此基礎(chǔ)上利用3ds Max進行三維模型的生產(chǎn)。在點云內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，嚴格按照數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程和質(zhì)量檢查規(guī)范執(zhí)行，確保項目實施工期可控、最終成果質(zhì)量可控。

(4) 成果數(shù)據(jù)展現(xiàn)與應(yīng)用。處理好的人防工事三維模型成果數(shù)據(jù)須與城墻三維模型進行融合和展示，保證模型的數(shù)據(jù)格式、成果精度滿足要求。

2 人防工事三維數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集是三維建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，人防工事的外業(yè)采集包括P40掃描儀點云數(shù)據(jù)采集、未掃描耳室的特征點線采集、紋理照片采集。在采集過程中，嚴格按照數(shù)據(jù)采集規(guī)范進行，具體采集流程包括控制測量、掃描站布設(shè)、標靶布測、點云數(shù)據(jù)采集、紋理圖像采集、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)導(dǎo)出備份。

在掃描時，屬于小區(qū)域目標物掃描，通過標靶進行拼接閉合，在掃描區(qū)域的人防工事出入口處，布設(shè)控制點，并與外部已有控制點聯(lián)測，建立與已有空間參考系的聯(lián)系。

對于人防工事的主干道使用P40掃描儀進行外業(yè)采集，掃描站應(yīng)設(shè)置在地面穩(wěn)定的安全區(qū)域，在掃描區(qū)域內(nèi)宜均勻布設(shè)且設(shè)站數(shù)目盡量少，在耳室比較多或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、通視比較困難時可適當增加掃描站且掃描站盡量放置在耳室附近；對于未掃描或掃描不完全的耳室、聯(lián)絡(luò)通道等，量取耳室特征點、線信息。標靶應(yīng)在掃描范圍內(nèi)均勻布置，且高低錯落；本段人防工事每一掃描站的標靶個數(shù)為4個，相鄰兩掃描站的公共標靶個數(shù)為2個。

利用徠卡P40掃描儀采集城墻人防工事通道中各類地物的三維激光點云(如圖1所示)和獲取的耳室、聯(lián)絡(luò)通道的特征點線數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)存儲入庫，同時作為構(gòu)建城墻內(nèi)部人防工事三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。檢查點云數(shù)據(jù)覆蓋范圍的完整性、標靶數(shù)據(jù)完整性和可用性，對缺失和異常數(shù)據(jù)及時進行補掃。用高分辨率的相機進行拍照，提供紋理貼圖數(shù)據(jù)，采集圖像時應(yīng)繪制圖像采集點分布示意圖。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、精細化三維模型生產(chǎn)及細節(jié)數(shù)據(jù)調(diào)繪填充。

(1) 通過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(Cyclone)完成點云去噪、拼接、合并、抽稀等處理，輸出帶坐標的點云。

(2) 根據(jù)配準后的點云成果數(shù)據(jù)，通過3ds Max將人防工事通道、耳室、門等三維模型要素數(shù)據(jù)空間信息按照項目標準提取出來，輸出得到人防工事三維模型成果。

(3) 對于建模得到的人防工事三維模型成果，由于存在部分點云被遮擋(如掃描儀架設(shè)位置)或部分特殊屬性無法采集點云(未單獨架站掃描的耳室)的情況，部分細節(jié)信息需進行相應(yīng)的外業(yè)人工補充調(diào)繪，然后在三維建模過程中將對應(yīng)細節(jié)予以補充完整，最后形成精細化的三維模型成果。

4 人防工事測繪圖制作

人防工事屬于古代建筑遺址，一般需要繪制立面圖(正視圖)、平面圖和剖視圖(如圖2所示)。平面圖表現(xiàn)空間物體在水平面上的正投影。本文將人防工事點云數(shù)據(jù)通過坐標格網(wǎng)制作切片，將切片導(dǎo)出到AutoCAD繪制人防工事的水平剖視圖，并與所在區(qū)段的城墻邊界線疊加顯示。立面圖表現(xiàn)人防工事的高低走勢和耳室分布情況。剖視圖主要表現(xiàn)人防工事變化區(qū)段的橫斷面結(jié)構(gòu)。

5 精細三維模型的構(gòu)建

(1) 點云管理。將點云格式轉(zhuǎn)換為3ds Max可識別的點云格式，點云加載后可以自主選擇渲染模式，渲染顏色根據(jù)點的密度分布來對顏色進行均勻渲染。利用限制長方體功能可以在視圖區(qū)域內(nèi)顯示點云包圍盒，利用點云包圍盒對點云進行裁切，裁切可以選擇X、Y、Z3個方向，裁切的位置和厚度用戶可以自行控制。

(2) 構(gòu)建粗模。基于點云繪制輪廓線數(shù)據(jù)，構(gòu)建得到構(gòu)筑物粗模。對于缺失點云的部位，通過繪制的DLG數(shù)據(jù)，在3ds Max中自動參照加載到內(nèi)存中的點云對視圖中選擇的DLG數(shù)據(jù)拉伸粗模。

(3) 構(gòu)建精細模型。利用3ds Max自身提供的建模工具，可以快速構(gòu)建完成建筑物的精細模型。點云和模型疊接對比，檢查模型質(zhì)量。

紋理貼圖應(yīng)以外業(yè)采集數(shù)碼照片為參考，經(jīng)過統(tǒng)一配色后，建立紋理庫。無法采集照片的區(qū)域可參考遠景照片、相鄰區(qū)域照片等資料酌情貼圖。采集照片時，對材質(zhì)變化區(qū)域、病害突出區(qū)域要重點采集；對變化不大的區(qū)域，可統(tǒng)一貼圖。模型接邊處理按照西、南交邊，東、北接邊。相鄰接邊應(yīng)采用“捕捉”方式，模型應(yīng)精確連接，既保證圖形、幾何位置的接邊，也要進行屬性接邊,紋理接邊要符合紋理色差的要求。測區(qū)模型作業(yè)時間有先后，但接邊一律按規(guī)定的調(diào)繪截止時間的要素現(xiàn)狀為準。無法接邊時，應(yīng)將問題記載下來。

3ds Max具有強大的腳本編程能力，其內(nèi)嵌的MaxScript腳本語言可以完成絕大部分數(shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)批量處理功能。本文項目完成了屬性合法性檢查、圖形合法性檢查、材質(zhì)合法性檢查如圖3所示。

6 點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評定

點云數(shù)據(jù)的誤差來源主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個方面。

(1) 外業(yè)掃描誤差δ外主要包括儀器測角誤差、標靶獲取精度誤差和受掃描環(huán)境條件的影響帶來的誤差。本文項目采用徠卡P40掃描儀，利用定制4.5′標靶，50 m處標靶的標稱獲取精度δ標=±2 mm。本次人防工事的掃描距離在10～20 m左右，因此標靶獲取精度δ標遠優(yōu)于±2 mm。掃描儀的測角誤差對點位精度的影響可用下式計算

δ角=δ中D/ρ

式中，δ中為測角中誤差，P40掃描儀在掃描距離為50 m時，其理論精度值為±8″；D為測站點與被量測點之間的水平距離；ρ=206 265。本次掃描測站位置均在人防工事20 m以內(nèi)，因此本次掃描的測角誤差對離散點云的點位精度的影響δ角<0.78 mm。

(2) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理誤差δ內(nèi)包括點云數(shù)據(jù)的拼接誤差、點云數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換誤差、模型的曲面擬合誤差。選用的模型重構(gòu)方法不同，其產(chǎn)生的誤差結(jié)果也不同。本文主要考慮點云數(shù)據(jù)的拼接誤差。本段人防工事工架設(shè)20站，選擇20個控制點進行點云拼接，最大拼接誤差為δ拼=±4 mm。

7 結(jié) 語

本文針對人防工事的特點，探討了利用三維激光掃描技術(shù)獲取人防工事點云數(shù)據(jù)的方法，制作了詳細內(nèi)外業(yè)工作流程，并對最終的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評定，最大誤差為4.54 mm，滿足規(guī)范要求。利用完整的點云數(shù)據(jù)制作人防工事測繪圖，可為人防病害探測、安全評估、后期治理提供基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)獲取和處理的人防工事數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，不便于查看、檢索、利用，構(gòu)建人防工事數(shù)據(jù)成果管理系統(tǒng)能夠提高管理能力和文物保護水平，讓人防工事“活”起來。