基于三維激光掃描技術在古跡保護中的應用

李濤會 侯寬信 陳煒

摘?要：本文以項目實踐出發(fā)對比分析了傳統(tǒng)RTK技術和三維掃描技術在古跡保護中優(yōu)劣體現(xiàn)，通過三維掃描技術實現(xiàn)三維建模以及提取點云數(shù)據導入繪圖軟件繪制古石冢石墻二維線劃圖，對三維激光掃描技術在古構筑物現(xiàn)場測繪所，數(shù)據采集、拼接、去噪、導入成圖各環(huán)節(jié)實施方法，以研究三維激光掃描技術在古跡保護中的特殊作用。

關鍵詞：三維激光掃描技術;云數(shù)據;RTK技術;三維建模;數(shù)據分析

一、三維激光掃描技術概述

（一）工作原理

三維激光掃描技術是GPS之后地圖繪制技術的又一次革命。它通過高速激光掃描原理快速獲取被測物體的大量高精度三維坐標數(shù)據?？焖賹Ρ粶y目標三維建模及繪制平、立、剖等各種圖紙所需數(shù)據。通過傳統(tǒng)測量測得的數(shù)據的最終輸出是二維結果，與傳統(tǒng)測量不同的是由3D激光掃描儀測量的數(shù)據不僅包含平面位置（X坐標，Y坐標）和高程（Z坐標）的信息也同步R，G，B顏色信息，并且還反映對象的反射率信息。換言之，三位掃描所掃描點云數(shù)據給我們的感官感受就是目標體的含帶海量特征點坐標的實景照片。這種全面的信息給人的印象是物體實際上是在計算機中再現(xiàn)的，這是傳統(tǒng)測量所無法企及的。

（二）三維激光掃描技術在古跡保護中的優(yōu)點

（1）三維激光掃描儀可以真實記錄考古發(fā)掘現(xiàn)場，既有實景效果又有精密三維坐標定位。（2）非接觸式三維激光掃描技術對觀測目標無需直接接觸，避免了對古跡文物造成二次傷害。（3）建立的三維模型可以保存為真實文物的副本，對文物的保護，修復和研究具有重要意義。

（4）還可以對被破壞的文物進行“數(shù)字修復”，以便人們可以在被計算機摧毀之前“看到”這些雕像的外觀。3D數(shù)字模型還可用于虛擬演示和互聯(lián)網的漫游

二、本項目采用三維激光掃描技術和RTK數(shù)據對比分析

本項目測繪了闔閭古城龍山石墻，長度達2公里。鑒于石墻綿延分布于山頂叢林中，筑于古冢之上，年代久遠，常規(guī)RTK測繪一是接收信號受到樹木干擾;二是古跡年代久遠安置設備于古墻上易造成二次受損;三是古墻蜿蜒分布不規(guī)則測點太多，成圖難以恢復古跡原貌，而三維激光掃描技術的“非接觸式”、“點云”特點符合本項目要求，鑒于甲方對精度方面有所顧慮，我們采用RTK采集的坐標點與三維激光掃描得到同名點進行精度驗證和對比。

（1）所用儀器設備：本項目采用Trimble-R8 GNSS、中海達V8、三維激光掃描儀Focus3 D120，處理軟件FARO Scene4.8×32/×64后掃描數(shù)據處理，如過濾，拼接，去噪，掃描成色，擬合，表面分析等。從數(shù)據到顏色，整個點云完全自動化，操作簡單，內業(yè)處理擺脫了傳統(tǒng)的手工連線勾畫。

（2）實施步驟：

（3）掃描注意事項：①踏勘時，要分析地形特征，清理雜草，灌木，石塊等雜物。確保掃描視野內的能見度條件，合理設置掃描位置，避免出現(xiàn)掃描盲點。確保重要的地形不會出現(xiàn)在盲點中。②掃描不同部分適用不同分辨率。例如，具有平坦表面的墻壁或石頭可以以小分辨率（通常2cm）使用。然而，對于具有小尺寸和復雜結構的結構，使用相對密集的點云表示（mm級）。有時甚至需要使用最大掃描密度進行掃描（例如，在浮雕，柱子等上）。③控制點布設相鄰之間要相互通視，站點保證沿石墻兩側不超過20m。④標靶利用平面和球形兩種反射標靶，盡可能正面掃描標靶，以獲取高精度數(shù)據。

（4）控制測量：本研究平面控制測量采用C級GPS平面控制網精度布設，聯(lián)測無錫市城市控制點，高程控制采用GPS擬合高程。沿石冢石墻兩側5-20米分布，共布設49個控制點，每個控制點精度要求為：①平面位置中誤差不得大于5cm;②高程中誤差不得大于5cm。

（5）施測方法：選取12個分布于石墻不同位置特征點，分別架設三維激光掃描儀于基準點掃描獲取特征點相對應的標靶球點云數(shù)據、通過擬合球體方式提取出點云中標靶球的球心坐標，如圖2、圖3所示：

然后將GPS采集到的坐標與點云中對應點坐標進行比對，得到精度對比結果如下表所示：

從對比結果可以看出除了第10號點偏差略超過5厘米外，其余坐標偏差均小于5厘米，參考相關測量標準及規(guī)范此成果完全可以滿足本項目的精度要求。作為古跡數(shù)據采集的第一現(xiàn)場，所采集的數(shù)據資料信息是作為古跡修復保護的首要來源，三維激光掃描技術這種有別于傳統(tǒng)單點定位技術，點線測繪，已經逐漸取代傳統(tǒng)的文保測繪方式，對古跡展示，修復，存檔，互聯(lián)網傳遞起著越來越重要的地位。

三、成果提交及應用

本項目龍山石冢石墻點云數(shù)據通過3D激光掃描收集。

可作為闔閭古城考古研究原始資料進行存檔，同時，點云作為掃描對象的全數(shù)字實時模型可以實現(xiàn)對石冢石墻的真實測量。在考古發(fā)掘的不同階段，掃描挖掘現(xiàn)場可以實現(xiàn)考古發(fā)掘的動態(tài)管理和考古過程的數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產保護領域，可以通過高精度地面控制網絡實現(xiàn)對古跡遺產的連續(xù)掃描監(jiān)測。

對三維激光掃描所得點云，利用處理軟件FARO Scene進行拼接、去噪，實現(xiàn)三維建模，對于局部古墻體的繪制，在點云上直接標測圖紙所需的長度，寬度和高度數(shù)據，然后通過繪圖工具繪制平面圖和立面圖;對于古墻體和石冢剖面圖，根據掃描正射點云提取“切片”，將點云切片導入圖形繪制軟件（如AUTO-CAD或BIMRevit軟件），以形成用于保護，修復和存檔的二維線劃剖面圖。由于龍山石冢石墻蜿蜒分布于山頂呈狹長不規(guī)則帶狀，每站掃描受視距局限以及精度保證，每站掃描縱長不能超過30m，而且石墻年久失修，風化破損嚴重，鑒于此，掃描兩站視距交接地帶應增大分辨率，內業(yè)拼接時反復校對調整以滿足精度要求。

四、結論

三維激光掃描技術具有許多傳統(tǒng)測量方法所沒有的優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)模式，“外業(yè)”、“內業(yè)”界限不再那么明顯，三維掃描內置處理軟件，在外業(yè)現(xiàn)場就可以通過軟件進行點云拼接、降噪、三維建模;實現(xiàn)批量采集，重點掃描。

“非接觸式”工作方式避免了對古跡的二次損害，有利于古跡的保護，點云數(shù)據導入繪圖軟件三維建模，以及繪制所需的平、立、剖二維線劃圖，可在不同階段的掃描中及時更新，不論是三維建模還是二維線劃圖，作為古跡保護、修復、挖掘、異地復建或者是展覽、演示都起著非常重要的作用。

參考文獻：

[1]曠中平.基于地面三維激光掃描技術在考古遺跡中的應用研究.科技風，2014（9）.

[2]韓文泉，胡伍生，陳昕.地下空間激光掃描點云精度對比分析[J].測繪通報，2017（12）：72-76.