基于地面激光點云數(shù)據(jù)的古建筑建模研究

梅東 史玉峰

摘 要：古建筑是廣大勞動人民智慧與藝術(shù)凝聚的文明瑰寶，對古建筑進(jìn)行保護(hù)、修繕、復(fù)原是文保主要工作之一。本文采用地面激光掃描技術(shù)獲取南京城墻解放門部分表面點云，應(yīng)用相關(guān)軟件構(gòu)建了解放門表面精細(xì)三維模型。

關(guān)鍵詞：地面激光掃描; 古建筑測繪; 點云; 三維建模

中圖分類號：P234? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2020）12-175-001

1.引言

古建筑是歷史的沉淀與人類文明的結(jié)晶，是廣大勞動人民智慧與藝術(shù)凝聚的文明瑰寶，承載著世界共同的記憶。地面激光掃描技術(shù)具有無接觸、速度快、精度高等特點，在邊坡監(jiān)測[1-3]、橋隧測量[4]等領(lǐng)域得到應(yīng)用，在古建筑測繪與保護(hù)方面也有應(yīng)用[5-7]。本文擬選用地面激光掃描技術(shù)獲取南京城墻解放門段的表面點云數(shù)據(jù)，建立解放門三維點云模型。

2.數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)采集通常分為現(xiàn)場踏勘、測站布設(shè)、建筑物掃描等三步。本次南京城墻解放門掃描路線為：解放門內(nèi)側(cè)（近玄武湖）-門洞-外側(cè)，門內(nèi)、外側(cè)各設(shè)1個測站點，門洞內(nèi)設(shè)置1個測站點，共3個測站。采用FaroFocus3DX330地面激光掃描儀為數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，儀器參數(shù)設(shè)置為：掃描分辨率為1/4，10m范圍內(nèi)點云間距6mm。

由于原始點云數(shù)據(jù)存在很多冗余數(shù)據(jù)和噪聲，在三維模型構(gòu)建之前，需要對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作。預(yù)處理流程包括：

（1）點云數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)。本文采用最近鄰迭代配準(zhǔn)算法（ICP）對采集的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接配準(zhǔn)，拼接配準(zhǔn)報告顯示本次配準(zhǔn)精度為4.5mm，少于配準(zhǔn)限差6mm，表明拼接配準(zhǔn)效果良好。

（2）點云數(shù)據(jù)去噪與濾波。點云濾波的方法主要有：高斯濾波、平均濾波和中值濾波。本文采用高斯濾波方法消除點云噪聲。

（3）點云數(shù)據(jù)重采樣。常用的點云數(shù)據(jù)重采樣方法有：曲率采樣、隨機采樣、等距采樣。由于曲率采樣方法能夠保留大量細(xì)節(jié)特征，因此在處理復(fù)雜古建筑時，通常采用該方法。本文選用曲率重采樣法，設(shè)置某一闕值進(jìn)行，對公共區(qū)域進(jìn)行合并，保留曲面數(shù)據(jù)。

3.點云建模

在點云數(shù)據(jù)建模前，需要對點云數(shù)據(jù)中的孔洞進(jìn)行補缺?？锥床豢杀苊獾爻霈F(xiàn)在掃描點云數(shù)據(jù)中，其產(chǎn)生的原因主要包括：掃描過程中樹木、行人、車輛等形成遮擋;待測物體表面吸光性較強;處理數(shù)據(jù)時操作失誤導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)被錯誤刪除等。為了使模型完整化，需要對孔洞和缺口進(jìn)行填充。缺口填充是利用缺口周邊的三維信息，并與缺口構(gòu)建拓補關(guān)系。多邊形上的小孔洞可以利用平面填充法，大孔洞可以利用曲面填充法。

目前常用的點云數(shù)據(jù)建模方法有：幾何建模、三角網(wǎng)建模和曲面建模。本文選用NURBS曲面建模方法構(gòu)建點云三維模型，其具體步驟如下：

（1）構(gòu)造輪廓線。計算曲率生成多邊形的輪廓線，并將整體曲面分塊成獨立的曲面，以顏色區(qū)分。圖3為構(gòu)造的解放門輪廓線。

（2）曲面構(gòu)造。在抽取完輪廓線后，進(jìn)行松弛、細(xì)分輪廓線，進(jìn)行曲面構(gòu)造，并修復(fù)曲面片。圖4為構(gòu)造的解放門曲面片。

（3）曲面擬合。曲面片構(gòu)造完成后，需要進(jìn)行曲面擬合，將曲面片擬合成NURBS曲面。本次采用常數(shù)擬合方式，設(shè)置控制點為20，表面張力0.25，完成對解放門三維模型構(gòu)建。圖5、圖6分別是解放門內(nèi)側(cè)、外側(cè)曲面。

4.總結(jié)

本文應(yīng)用法如Focus3D X330地面激光掃描儀獲得的南京城墻解放門原始點云數(shù)據(jù)，并分析了點云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，探討古建筑點云建模方法，建立了基于地面激光掃描點云數(shù)據(jù)的解放門三維模型。

國家自然科學(xué)基金：大場景機載點云建筑語義建模（No.41971415）

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