激光掃描在落筆洞三維實景建模中的應用

唐久清，柳學權，何 新

（海南華誠測繪科技有限公司，海南 三亞 572000）

0 引言

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，三維實景模型在景區(qū)及文化遺址虛擬重現(xiàn)和智慧化管理等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的三維建模技術是借助全站儀等測量設備，采用接觸式測量的方法進行特征數(shù)據(jù)采集和建模，費時耗力；近年來，涌現(xiàn)出無人機傾斜攝影、三維激光掃描等多種三維實景建模技術[1]，極大地提高了工作效率。相比而言，三維激光掃描數(shù)據(jù)精度高，裝載平臺靈活，可以搭載在空、地等多種平臺上，適用于多種復雜場景的三維建模。

落筆洞文化遺址，距今有1萬年左右，2001年被國務院列入第五批全國重點文物保護單位[2]，洞內天然形成的地面和石壁，曲折起伏，復雜多樣，從區(qū)域空間和技術的適宜性上，本項目最終選擇操作穩(wěn)定、精確度高、技術比較成熟的地面三維激光掃描系統(tǒng)進行掃描，并基于激光點云完成對落筆洞及鄰近洞穴的三維實景模型的構建。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描是20世紀90年代出現(xiàn)的一項高新技術，它利用激光測距的原理，采集被測物體表面大量的三維坐標、反射率和紋理等點云信息，點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可獲取被測目標物體的線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)[3]。相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術取得了從“點到面”測量的革命性技術突破[4]。該技術在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、數(shù)字城市、軍事分析等領域也開展了很多的嘗試、應用和探索。

三維激光掃描儀按照所搭載平臺和應用環(huán)境的差異，一般分為地面、機載和星載系統(tǒng)[5]。地面激光掃描儀按照移動方式的不同，通常包含手持式、固定站式和移動式掃描儀。固定站式類似架站的全站儀，通常用三腳架作為支架，以單站掃描、多站點云拼接的方法實現(xiàn)整個目標測區(qū)的掃描和三維數(shù)據(jù)信息的整合。適用于目標物體密度大、精度比較高的區(qū)域。

本實例中，選用了地面固定站式的Z+F 5010C 3D掃描儀采集數(shù)據(jù)，該掃描儀主要的系統(tǒng)參數(shù)如下：掃描速度為101．6萬點/s；掃描視角為320°×360°；測程為0．3～187．3 m；線性精度為 1 mm@50 m。

3.1 技術路線

在項目開始前，首先要對落筆洞及鄰近洞穴內外的地形地貌情況進行認真的踏勘，特別是洞內重點的石鐘乳、巖墻、洞坑等特殊洞體。實地詳細踏勘后，制訂出詳細的技術路線和工作計劃。該遺址所在的落筆洞旅游風景區(qū)，在現(xiàn)階段實施的是全封閉式管理，不允許人員隨便進出。在與景區(qū)管理單位溝通協(xié)調后，確定必須在一個月內完成數(shù)據(jù)采集工作，并且要保證在不會損傷和影響洞穴的情況下開展該項目工作。具體的技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖

2 落筆洞簡介

落筆洞位于三亞市吉陽區(qū)落筆村落筆峰南側巖壁下，在極高處有兩根向下垂吊的鐘乳石，形似兩枝懸吊的筆，落筆洞正是由此而名。落筆洞的摩崖石刻眾多，洞的周圍還有不少的熔巖洞，有名的有“仙郎洞”（又名仙姑洞房，）、“仙女洞”等洞穴，各具特色。

3 項目實施

3.1 控制測量

在三亞已有連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System，CORS）控制點的基礎上采用RTK和全站儀聯(lián)合測量（洞外及洞口衛(wèi)星信號好的地方，采用RTK測量；深入洞內，衛(wèi)星信號差的地方，采用全站儀測量）的方式，布設覆蓋落筆洞洞室內外的控制導線線路。由于落筆洞洞穴成狹長區(qū)域且狹長區(qū)域僅有單一出口，控制導線無法閉合，因此只能布設單一的附合導線。落筆洞洞穴導線控制測量后，平差計算出最弱點點位的中誤差為4．2 cm，符合工程測量相關規(guī)范中，一級圖根導線最弱點點位精度小于5 cm的要求。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)的采集包含洞穴表面三維點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。采用Z+F5010C3D相位式三維激光掃描儀，獲取洞穴內地物地貌的三維實景模型所需的點云數(shù)據(jù)；洞穴內的光線比較昏暗，需要打開亮度均勻的光源，利用數(shù)碼相機采集洞穴的表面影像。

3.2.1 激光掃描數(shù)據(jù)采集

布設掃描站點，合理安排掃描儀測站的位置，確保相鄰站點數(shù)據(jù)具有特征點明顯的重疊部分。掃描站點位置的布設有兩種方式：一是設置在已知控制點上，二是根據(jù)洞穴內具體的情況和掃描需要，采取自由設站的方式進行掃描。

總體上，不管何種設站情況，都要保證相鄰測站的掃描點云達到30%～50%的重疊率。同是，可以借助草圖、站點編號或其他可標記的方式，繪制各測站點位置示意圖，以便在后期數(shù)據(jù)的粗拼接時，能夠準確地識別各測站點之間的位置關系，提高工作效率。在確保所布置的測站能完全覆蓋測區(qū)和將目標物完全包圍的基礎上，還需要盡可能地優(yōu)化或減少測站數(shù)，以便減少總數(shù)據(jù)量和測站的拼接次數(shù)。此外，要盡量避開遮擋物或者其他干擾。

3.2.2 點云數(shù)據(jù)處理

原始采集的點云為大量離散的點數(shù)據(jù)，包含大量無效的噪點和重復點，每站的點個數(shù)可達百萬級以上，一般經(jīng)過去噪、配準、簡化及補洞等點云處理后，就能達到實用的要求。

首先在Z+F掃描儀后處理軟件Z+FLaserControl中，對點云數(shù)據(jù)進行去噪等預處理，然后把經(jīng)過預處理的點云數(shù)據(jù)導入JRC3DReconstructor軟件中，進行分散的原始各站點點云數(shù)據(jù)的配準。

各站點點云拼接正確后，再經(jīng)過簡化等其他點云處理，即可導出為自帶Z+FLaserControl查看器的三維點云模型，完成點云的處理工作。準確的三維點云可以進行量測、瀏覽等應用，也可以作為依據(jù)或基礎進行二維圖件和三維模型的制作。

3.3 三維建模

3.3.1 曲面重構法建模

利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的方法，主要分為兩類：一類是自動化程度較高的曲面重構法建模，另一類是人工參與基于提取特征參數(shù)方式建模[6]。曲面重構法是通過點云擬合NURBS曲面的方法構建物體的三維模型，效率和自動化程度都比較高，不需要人工干預，適用于形體比較奇特復雜的目標物體。所以，本研究項目采用曲面重構法進行三維實體建模。

曲面重構法要求點云數(shù)據(jù)是完整的，如果物體某一個地方的點云數(shù)據(jù)有缺失，就會導致缺失的地方無法形成三角網(wǎng)格和曲面，這個地方隨之也形成漏洞，目標物體的三維模型就會出現(xiàn)不完整或拉花現(xiàn)象。由于洞穴形狀比較復雜，即使后期進行了補掃，仍有一些細節(jié)無法準確掃描到；好在天然形成的實體，細節(jié)的弧度一般符合流體的形狀，所以利用Geomagic強大的點云數(shù)據(jù)及曲面編輯的功能，對照細節(jié)處的影像進行核對，按照溶洞物體表面的流體弧度特征，實現(xiàn)三維模型表面?zhèn)€別處的細節(jié)修整。

3.3.2 紋理映射

曲面重構法建立三角網(wǎng)模型后，為了增加模型的逼真度，通常要在三維實體模型上增加紋理，使其成為具有真實生動的效果。相機攝取的影像色彩信息或掃描儀采集的點云強度信息，通過紋理映射的方法，都可以附加到精細的三維模型上，并能夠進行可視化的顯示。在紋理映射前，需對影像勻光勻色、剪輯等后處理，精心挑選或處理每一個紋理影像，以達到清晰美觀而真實的標準。

3.3.3 模型優(yōu)化

模型優(yōu)化主要的方法有多邊形優(yōu)化和去除重復面等。多邊形優(yōu)化主要是根據(jù)物體模型的曲率，設置數(shù)量合理的三角形網(wǎng)格，即在模型曲率大的地方，三角網(wǎng)格小而密，曲率大的地方，三角網(wǎng)格小而疏。多邊形優(yōu)化的效果是總體的三角形網(wǎng)格大大降低了，并且達到合理的分布和利用，計算機處理模型數(shù)據(jù)的速度提高了，但是模型精度并沒有降低。

3.4 數(shù)據(jù)成果及三維實景應用

本項目中，基于落筆洞洞內外精確的三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)，運用Z+FLaserControl等點云后處理軟件及ATUO CAD等其他制圖或模型處理軟件完成了一系列成果的制作，例如三維點云模型、二維平面圖、三維實體模型等，最后把三維實體模型導入第三方平臺深入開發(fā)，滿足各種具體的三維實景的應用。

3.4.1 三維點云數(shù)據(jù)模型

激光掃描技術采集的三維點云數(shù)據(jù)，含有掃描對象的三維地理位置信息和表面的紋理信息等，所以處理正確后的點云數(shù)據(jù)是一項重要的數(shù)據(jù)成果，本項目的點云數(shù)據(jù)在AutodeskReCap軟件中，是一種可實現(xiàn)瀏覽、查詢、量測的基礎三維測繪成果。如圖2所示，基于三維點云模型，對落筆洞進行量測，洞廳的分布范圍長32 m、寬19 m、高12 m，容積約1 060 m3。

圖2 落筆洞Z+F點云模型右視圖效果

3.4.2 二維平面圖件

項目圖件成果采用AutoCAD2015軟件進行制作，將拼接準確的點云調入軟件后，參照點云，制作了落筆洞及周邊景區(qū)的數(shù)字線劃圖（如圖3所示）、正射影像圖（如圖4所示）等豐富的圖件成果。

圖3 落筆洞片區(qū)線劃圖

圖4 落筆洞片區(qū)線劃圖

3.5.3 三維實體模型

采用曲面重構法建成的落筆洞模型（如圖5所示），是一種可實現(xiàn)瀏覽、查詢、量測及附加屬性的實體模型，并且可以對實體模型進行修改、分割、添加及單體化制作等后期處理。

3.4.4 三維實景應用

制作好的三維實體模型，導入不同的三維可視化平臺，進行深入的加工處理，可實現(xiàn)不同的三維實景應用。

（1）虛擬現(xiàn)實平臺VEStudio，側重于材質、光照效果表現(xiàn)，該平臺三維實景的效果最為生動逼真，栩栩如生，適用于三維實景模型的展現(xiàn)和瀏覽。

（2）游戲仿真平臺Unity3D，該平臺側重于交互處理、動畫表現(xiàn)，適用于利用三維實景進行交互或游戲的開發(fā)應用。

（3）地理信息平臺ArcGIS或SuperMAP，此類平臺側重于三維數(shù)據(jù)管理和空間分析，適用于三維場景中各類地物數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、空間統(tǒng)計分析、導航定位及規(guī)劃建設等。

各類三維實景應用，一方面可以錄制成視頻，在各類宣傳終端進行展示宣傳；另一方面可以在各類三維可視化平臺上開發(fā)為各種在線的三維實景應用。

4 結語

采用地面三維激光掃描的方法可有效地解決復雜、異形、封閉空間的數(shù)據(jù)采集問題。三維激光掃描獲取的點云信息豐富，所見即所得，能將視線所及的場景信息全部掃描并記錄下來。

此次的三維激光掃描設備自帶的全景相機采集的影像數(shù)據(jù)，與洞穴實際空間中的色彩（人工光源下）、紋理一致，對于后續(xù)三維建模、物質屬性識別等均有直觀的參考，極大地減少后續(xù)三維建模的工作量，提高了工作效率。

利用地面三維激光掃描技術可以準確地建立洞室內復雜場景的三維實景模型。不僅可以存儲此類資源的數(shù)字化基礎信息，還可以生動、逼真地進行展示與瀏覽；若對三維實景模型進一步開發(fā)利用，還可以進行規(guī)劃、安防等各類智慧化管理與應用。