三維激光掃描在文物建筑測繪中的應用

李莎莎+焦元冰

摘 要：作為一種新型的測繪技術，在文物建筑測繪中，三維激光掃描在其中發揮了重要的作用。本文就三維激光掃描在吳山石佛院建筑測繪中的應用進行簡要的分析。

關鍵詞：三維激光掃描；文物建筑測繪；應用

0 前言

石佛院，位于杭州吳山風景區， 在院內依山鐫刻有五尊石佛，開鑿于五代吳越國時期，為杭州市內現存最大的石刻造像，具有較高的藝術價值、研究價值和文物價值，1992年被列為杭州市級文物保護單位。下文就三維激光掃描在其中的應用進行探討。

1 三維激光掃描的工作原理

三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取地形及復雜物體的表面的三維點云數據。其工作原理是：通過激光反射這一裝置，掃描儀對目標進行激光發射，通過對掃描儀內置的計時系統進行充分的利用，就可以測出激光發射和接受的時間差，從而計算出相應被測點和掃描儀間的距離。根據以下兩個方向的角度值，一個是水平方向；另一個是垂直方向，就能將被測點的三維坐標數據進行測算，然后將點云數據進行儲存，將其輸入計算機的存儲設備之中。再對這些數據進行處理，就能得到實體的三維幾何模型。

2 主要優勢

（1）高精度：三維激光掃描技術在作業過程中人為干預比較少，尤其在數據采集階段，極大的減少了人為因素產生的誤差，且其本身的測量精度可以達到毫米級。

（2）非接觸式：三維激光掃描技術采用非接觸式激光測量方式，對目標物進行掃描，獲取其表面的三維坐標信息。因此避免了在測量過程中對目標物造成的接觸式損害。

（3）高效率：對于三維激光技術來說，每秒能采集百萬個點以上的數據，可以快速的完成外業采集工作，相對于傳統的外業數據采集速度提高了數倍。

由于三維激光掃描技術有著高精度、非接觸式、高效率、直觀性強等優點，在文物保護領域之中，該技術將會發揮較大的作用。

3 該技術在吳山石佛院建筑測繪中的應用

3.1 確定工作內容

石佛院造像現狀測繪的工作內容包括：

（1）通過對石佛院造像及其所賦存巖體進行三維激光掃描，并將點云數據進行拼接、去噪、抽稀、統一化等處理，制作造像正射影像圖、平面圖。

（2）利用處理好的點云數據，建立不規則三角網模型，利用模型制作立面圖、剖面圖。

（3）通過對模型進行紋理設置和貼圖等處理，制作真彩三維模型。

（4）最后把真彩三維模型導入引擎，制作動畫和虛擬互動應用程序。

3.2 技術設計思路

本項目將綜合運用三維激光掃描、GPS-RTK測量、數字地形測繪、精密工程測繪、數字攝影測量以及虛擬現實（VR）等技術手段，提供豐富的測繪成果，為文物保護與研究提供了詳細的資料?？傮w技術流程圖如下圖所示。

3.3 三維激光掃描

第一步：根據佛龕形狀及周邊樹木等遮擋物的位置，對測站點的位置以及標靶位置進行科學合理的選擇。本次測繪共計布設了13個測站，在這之中，有10站是針對整個石壁進行的掃描，至于剩下的幾站，則主要是對石佛院整個院子進行的掃描。設站方式主要是運用任意設站的測量方式，也就是每站都是獨立坐標，各站之間的點云數據，則是通過標靶拼接成一個統一的獨立坐標系，然后實測三個標靶的杭州坐標系坐標，把拼接后的坐標系歸算到我們使用的平面直角坐標系中。

第二步：本次使用的標靶為3"標靶，為了使點云配準的精度得到確保，標靶的布設有著一定的規范，要布設在不同的高度以及不同的平面位置。在測站上掃描3個以上標靶，并對標靶掃描信息進行實時檢查，使標靶掃描的正確性得到有效的保障。

第三步：采用高分辨率掃描和合適的掃描范圍，并采用外置相機，來對全景影像進行拍攝，以便得到完整點云數據。

3.4 點云數據處理

第一步：采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone對點云數據進行預處理與配準。將外業采集的數據進行導入，通過公共標靶點，可以實現各站數據的拼接。對于拼接完成的點云數據，我們再對其進行統一的處理。

第二步：由于三維激光掃描儀在采集數據時，其掃描范圍較廣，會包含所有地的所有信息，這樣一來，就會采集一些沒有用處的數據，若不對這些數據進行清除，就會對后期的點云建模產生重要的影響，故此，一定要將這些噪點進行去除。但是從Cyclone這款軟件的功能上來看，能夠沒有自動去噪的這個功能，因此只能依靠人工的手段，來一點一點的去除噪點。通過軟件的切片功能，將點云切成一定寬度的片狀顯示，并設置一個好的視角，從幾個不同的視角中選擇和檢查操作的點云，以免意外的刪除掉前面或背后的有用的點云。

第三步：去噪完成后，整個崖壁的點云數據仍然是非常龐大的，所以需要對點云數據進行切割，獲取各龕與各佛像的獨立點云數據。以便后期的協調作業，提高工作效率。

3.5 三維建模

第一步：將處理后的點云數據進行整理，然后將其導入到Geomagic這款軟件之中。

第二步：將導入的點云進行著色處理，使其能夠更好地顯示點云，接下來再進行一些幾種操作：（1）非連接項；（2）去除體外孤點；（3）減少噪聲；（4）封裝等。

第三步：首先，將封裝的對像數據進行流行操作，再對其進行填充孔的處理；用砂紙打磨多邊形，將一些凸起的特征，或多余特征進行去除，再對多邊形模型進行松弛操作；其次，對相交區域進行修復，對于一些不規則三角形數據進行去除，最后，圍繞各處邊界來進行操作處理。

3.6 存在的問題

三維激光掃描雖然可以對造像的三維模型進行逼真的重建，可以對造像的坐標信息進行快速的獲取，但是這種技術也存在著或多或少的問題

（1）由于造像相對來說較為復雜，在對數據進行采集時，往往會存在測量“死角”，例如，在造像的頂部與石壁連接處，或者是造像被樹木遮擋處等，所以根據點云建立起的三維模型，就會呈現較多的表面空洞，而要想處理這些空洞，則需要工作人員進行手動修補，這樣一來，就在一定程度上影響了建立的模型精度。

（2）在點云去噪時，主要是采用人工去噪的這一方法，這種處理手段有可能會把正確的點云刪除。特別是當石壁上存在一些雜草時，這些點云數據就很難進行處理，因為它們會緊貼著石壁，很難根據噪點數據的以下幾種特性來進行刪除，一種是非連續性、另一種是離散性等，從而影響了建立的模型精度。

4 結語

由于篇幅受限，本文重點對三維掃描技術進行了講述，至于立面圖的繪制以及正射影像圖的制作等都沒有進行講述。隨著科學技術的不斷發展，三維激光掃描技術也取得了不斷的發展，它的出現創新了文物建筑測繪的方法，會為我國的文物保護工作提供重要的助力。

參考文獻

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