三維激光掃描技術(shù)在馬胖鼓樓建模中的應(yīng)用

黃彬

（柳州城市職業(yè)學(xué)院）

1 引言

歷史建筑測(cè)繪需要測(cè)繪其形狀、大小和空間位置，以及相應(yīng)的平面圖、立面圖和剖面圖等。傳統(tǒng)的手工測(cè)繪方法精度低，容易損壞建筑物。近景攝影測(cè)量方法數(shù)據(jù)獲取方法不夠靈活，且需要復(fù)雜的處理才能夠得到成果。針對(duì)傳統(tǒng)歷史建筑測(cè)繪方法的不足，研究采用三維激光掃描技術(shù)快速獲取歷史建筑高精度、高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上制作出準(zhǔn)確、完整的現(xiàn)狀圖紙，并進(jìn)行三維仿真精細(xì)建模。

2 工作原理

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光測(cè)距，瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值，獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，更真實(shí)地還原被測(cè)對(duì)象的原形原貌，為歷史建筑的測(cè)繪工作提供了新途徑。三維激光掃描技術(shù)通過(guò)內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)出激光脈沖，通過(guò)反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)出的激光脈沖掃過(guò)被測(cè)目標(biāo)，信號(hào)接收器接收來(lái)自目標(biāo)體返回的激光脈沖，通過(guò)每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可以獲得被測(cè)物體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊可測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間坐標(biāo)或三維模型。

三維激光掃描技術(shù)是一門(mén)新興的測(cè)繪技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無(wú)需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。

3 馬胖鼓樓

馬胖鼓樓位于廣西三江侗族自治縣八江鎮(zhèn)馬胖村，距縣城26km。1963年2月被列為廣西壯族自治區(qū)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，馬胖鼓樓是廣西唯一被列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的鼓樓，也是全國(guó)僅有的三座“國(guó)寶”侗族鼓樓之一。根據(jù)侗族古歌的記載：侗族祖先每遷到一地，必先建鼓樓，后建村寨。另外還有一條不成文的規(guī)矩：各家各戶的樓房都不能高過(guò)鼓樓。因?yàn)椋臉鞘嵌弊寮w權(quán)威的象征，是他們心目中尊嚴(yán)的標(biāo)志性建筑。

馬胖鼓樓原建于清代，其外形顯得格外敦厚、雄渾、穩(wěn)重，樓內(nèi)的四根大木柱，粗可兩人合抱。樓內(nèi)設(shè)欄桿、坐凳、臥臺(tái)，中央為火塘。大廳的板壁上，繪有侗鄉(xiāng)風(fēng)光的精美畫(huà)圖[2]。

4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次采用的三維激光掃描儀為FARO FocusS 350，其參數(shù)掃描距離：350m；激光發(fā)射頻率：967000點(diǎn)/s；數(shù)據(jù)采集分為室內(nèi)、室外兩部分進(jìn)行，為了使室內(nèi)和室外點(diǎn)云數(shù)據(jù)銜接，分別在門(mén)口外和室內(nèi)各擺設(shè)一個(gè)測(cè)站，使兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)有30%的重疊率。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

根據(jù)馬胖鼓樓內(nèi)部和外部的實(shí)際情況，確定出合適的儀器架設(shè)位置，由于鼓樓內(nèi)部有4根柱子支撐，故在布設(shè)儀器時(shí)要考慮柱子的各個(gè)面都能掃描到，根據(jù)鼓樓內(nèi)部的柱子實(shí)際情況確定儀器的準(zhǔn)確位置，并根據(jù)場(chǎng)地條件創(chuàng)建適當(dāng)數(shù)量的場(chǎng)地。

4.2 控制點(diǎn)布設(shè)

地面三維激光掃描儀在掃描時(shí)使用設(shè)備定義的坐標(biāo)系，為了在后期將獨(dú)立坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整地鑲嵌結(jié)果轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的坐標(biāo)系，需要在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前，先在鼓樓外圍和內(nèi)部布設(shè)和測(cè)量一個(gè)高密度、高精度的控制網(wǎng)，網(wǎng)格布局需要多個(gè)策略：控制網(wǎng)中各相鄰控制點(diǎn)之間要通視，即要求一個(gè)控制點(diǎn)至少與兩個(gè)控制點(diǎn)通視，控制網(wǎng)的布局必須適當(dāng)，以便掃描儀能夠完全捕獲鼓樓數(shù)據(jù)?？刂泣c(diǎn)與測(cè)量的鼓樓之間的距離應(yīng)至少為30m，以提高精度。

4.3 標(biāo)靶布設(shè)

本次任務(wù)帶的標(biāo)靶球有8個(gè)，布設(shè)這些標(biāo)靶球時(shí)要圍繞在儀器周?chē)?，使儀器能同時(shí)掃描到這些標(biāo)靶，當(dāng)本測(cè)站掃描完成后，搬動(dòng)儀器繼續(xù)下一站掃描，后置的標(biāo)靶球往前移動(dòng)，由于單站搜索范圍有限，一個(gè)完整的項(xiàng)目通常需要多個(gè)中間站進(jìn)行審閱。每個(gè)站的掃描數(shù)據(jù)都有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，在拼接多站數(shù)據(jù)時(shí)需要轉(zhuǎn)換成一個(gè)坐標(biāo)系。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量公共點(diǎn)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換精度，一般在公共點(diǎn)使用特殊的球形（形狀）目標(biāo)和平面目標(biāo)。目標(biāo)配置應(yīng)符合以下準(zhǔn)則：相鄰測(cè)站之間有兩個(gè)以上的共用標(biāo)靶。標(biāo)靶不能與測(cè)量站位于同一條線上。

4.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的三維激光掃描儀的品牌和型號(hào)各不相同，性能和精度各不相同。根據(jù)本次任務(wù)技術(shù)要求，由于要掃描出精細(xì)的柱子榫卯相連部位，故選用三維激光掃描儀工作站FARO FocusS 350地面式三維激光掃描儀，選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法。掃描步驟分為儀器放置、儀器參數(shù)設(shè)置、儀器調(diào)平、掃描開(kāi)始、切換掃描等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集持續(xù)了1天，室內(nèi)和室外共設(shè)了30個(gè)站，產(chǎn)生了12億個(gè)三維點(diǎn)云，包括鼓樓周邊的各個(gè)領(lǐng)域。

5 內(nèi)業(yè)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理使用與硬件配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件SCENE7.0，利用Autodesk ReCap軟件瀏覽鼓樓結(jié)構(gòu)，Autodesk繪制鼓樓的構(gòu)件。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整個(gè)后處理過(guò)程包括點(diǎn)云拼接、去噪、合并、切割、平面繪制等幾個(gè)過(guò)程。

1）基于視圖進(jìn)行自動(dòng)拼接

該方法也不需要在外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)或標(biāo)靶，節(jié)省了外業(yè)工作時(shí)間，在內(nèi)業(yè)處理軟件里，以某一個(gè)測(cè)站點(diǎn)云為基準(zhǔn)，將相鄰測(cè)站點(diǎn)云分別進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、升降，將兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云里的同名空間特征進(jìn)行匹配，兩個(gè)測(cè)站點(diǎn)云只需近似吻合匹配，軟件即可將兩個(gè)點(diǎn)云進(jìn)行處理合并。

2）點(diǎn)云去噪與合并

點(diǎn)云去噪是點(diǎn)云的細(xì)化過(guò)程。掃描儀的原始點(diǎn)云中經(jīng)常存在對(duì)結(jié)果處理產(chǎn)生不利影響的點(diǎn)。去噪是保留有效點(diǎn)并刪除無(wú)效點(diǎn)的過(guò)程?？梢允褂镁匦魏投噙呅喂ぞ呖蜻x然后刪除噪點(diǎn)。點(diǎn)云合并是將所有測(cè)站點(diǎn)云合在一起，使所有點(diǎn)云形成一個(gè)整體，目標(biāo)是將整個(gè)視圖中的多個(gè)點(diǎn)云合并為一個(gè)合并的點(diǎn)云。完成統(tǒng)一處理后，可以更好地搜索和導(dǎo)出點(diǎn)云。

3）點(diǎn)云切割與平立面圖繪制

點(diǎn)云的切割操作為后續(xù)的立面圖、平面圖繪制做準(zhǔn)備。使用Autodesk軟件的切面切片工具，從水平和垂直兩個(gè)方向?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，并根據(jù)具體情況調(diào)整切片厚度，從而直觀清晰地看到鼓樓柱子、門(mén)窗、梁、枋等構(gòu)件的輪廓線。為了確保切片平面是水平的或垂直的，通常需要將參考平面工具與切片工具一起使用。根據(jù)某一點(diǎn)，先建立XY、XZ或YZ方向的參考平面，再由參考平面定義切片[1]。

6 鼓樓圖繪制

圖1 鼓樓平面、立面和剖面繪制圖

圖2 鼓樓3D模型多角度展示示意圖

掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅具有與真實(shí)物體相同的形狀，還包含與真實(shí)物體相同的幾何信息。通過(guò)提取結(jié)構(gòu)特征和測(cè)量距離，按照適當(dāng)?shù)谋壤L制鼓樓平面圖、立面圖和剖面圖（見(jiàn)圖1）。鼓樓平面圖需要標(biāo)注柱子的中心線、邊柱間距、梁的位置、枋、大梁、檁條、椽子。立面符號(hào)指示檐層的位置和高度、屋頂?shù)母叨?，并繪制單線俯視圖。俯視圖符號(hào)表示邊柱間距、梁、枋、大梁、檁條、椽子的位置。

7 鼓樓數(shù)字化活用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，鼓樓保護(hù)逐漸搭上數(shù)字化快車(chē)，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，為古物古建保護(hù)賦能。現(xiàn)階段鼓樓數(shù)據(jù)的采集往往采用三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)掃描過(guò)程中不會(huì)接觸掃描對(duì)象，能夠避免對(duì)古物的破壞，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中常用的掃描儀器有地面三維激光掃描儀、手持三維激光掃描，在使用過(guò)程中，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景與對(duì)象不同，而選擇適合的掃描方式，以獲得最為精準(zhǔn)完整的數(shù)據(jù)。依托三維激光掃描數(shù)據(jù)得到的鼓樓模型，在鼓樓展示3D模型中可進(jìn)行多角度展示，同時(shí)還可呈現(xiàn)鼓樓文化背景介紹等信息，加深人們對(duì)鼓樓的認(rèn)識(shí)以及對(duì)文化的了解程度，利于文化接受與傳承（見(jiàn)圖2）。

8 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)為快速、精確三維重建提供了強(qiáng)有力的手段，圓滿解決了鼓樓高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)難題，因其是非接觸式測(cè)量，所以不會(huì)對(duì)文物構(gòu)成任何的傷害；三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)每一棟單體建筑進(jìn)行掃描，記錄下建筑內(nèi)外形制的原狀，掃描結(jié)果與手工測(cè)繪相比，精確度提高了，一些復(fù)雜的數(shù)值也能得到統(tǒng)計(jì)。比如柱子的生起、側(cè)腳，屋角的起翹、正脊的曲線形態(tài)等，在電子圖上可以直接讀取有關(guān)數(shù)據(jù)；比如梁、瓜、枋等建筑構(gòu)件的長(zhǎng)、寬、高，它們的下垂、傾斜、扭曲等數(shù)據(jù)都可以存儲(chǔ)，為鼓樓建立了數(shù)據(jù)檔案。