三維激光掃描技術在開平碉樓保護中的應用研究

謝錦鵬，陳穎彪，千慶蘭，韓富狀

（廣州大學地理科學學院，廣東廣州 510006）

三維激光掃描技術在開平碉樓保護中的應用研究

謝錦鵬，陳穎彪*，千慶蘭，韓富狀

（廣州大學地理科學學院，廣東廣州 510006）

近年來，具有掃描速度快、精度高等優(yōu)點的三維激光掃描技術為空間三維信息的獲取提供了強有力的技術手段.文章通過研究三維激光掃描技術在世界文化遺產(chǎn)——開平碉樓的應用，對從點云數(shù)據(jù)獲取、預處理到如何快速準確建模的完整流程進行了詳細的分析并優(yōu)化了技術路線，以及針對此項新技術與傳統(tǒng)測量技術的優(yōu)劣進行探討.研究結(jié)果表明，三維激光掃描技術對古建筑的量測具有重要意義，可為廣東省的古建筑修繕保護與展示提供強有力的數(shù)據(jù)支撐與技術支持，并達到真實比例的虛擬仿真三維效果.

點云數(shù)據(jù)；影像重建；古建筑保護；開平碉樓

關于文化遺產(chǎn)尤其是古建筑遺產(chǎn)的保護與修繕，如何實現(xiàn)對古建筑的精細測量和完整修繕從而更好地實現(xiàn)對古建筑物的保護與可視化展示，一直以來都是學界研究的熱點.

近年來，隨著測繪技術的革新，對于古建筑的測量已有了長足的發(fā)展.其中，三維激光掃描技術的出現(xiàn)為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段［1］.它區(qū)別于傳統(tǒng)的單點定位測量，點、線測繪技術以及照相測量技術，又稱為“實景復制技術”［2］.它的出現(xiàn)引發(fā)了現(xiàn)代測量技術的一場革命，使我國的文物保護逐漸進入了一個數(shù)字化、網(wǎng)絡化的時代［3］.

本文介紹了三維激光掃描儀應用到開平碉樓的完整測量過程，優(yōu)化了測量程序并探討其點云數(shù)據(jù)在經(jīng)過計算機處理后，如何實現(xiàn)碉樓數(shù)據(jù)的拼接以及逆向三維建模過程中的相關技術問題，并進行三維激光掃描技術與傳統(tǒng)測量方法的對比分析.

1 三維激光掃描測量原理

三維激光掃描儀在工作時，首先由激光測距儀的發(fā)射器發(fā)射激光脈沖信號，經(jīng)物體表面的漫反射后，反向傳回到接收器，計算發(fā)射激光與接收激光的時間差t，然后乘以激光的速度v，從而獲得目標點P與掃描儀的距離信息S．在測距的同時，通過控制編碼器可同步測量每個激光脈沖的水平方位角α和垂直方位角β，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，便可得到每一掃描點與測站的空間相對坐標.這樣以固定的取樣密度，不間斷地對所在空間進行快速掃描測量，就能獲取被測物體的三維離散點數(shù)據(jù).這些記錄了有限體表面上密集的三維離散點數(shù)據(jù)就是點云數(shù)據(jù)（Point Cloud）［4］.點云的表示形式為（x，y，z，intensity，R，G，B），數(shù)據(jù)中不僅包含了點的空間位置關系，還記錄點的強度信息和顏色灰度信息［5］.

掃描儀系統(tǒng)的空間直角坐標系O－XYZ如圖1所示，激光發(fā)射處O是坐標的原點.根據(jù)預設的坐標系統(tǒng)，通過點坐標的計算公式（1）可求得該掃描點的（X，Y，Z）坐標.

在本文實驗中，使用的測量儀器是徠卡Scan-Station2，這是一款具有全方位視角、集成了雙軸補償器的高精度三維激光掃描儀，掃描速度可達50 000點·s－1，掃描的視場達到360°×270°，測量距離可達到300 m，點位精度為±6 mm／50 m，距離精度為±4 mm／50 m，角度精度為±12″.此外該掃描儀還配有高分辨率數(shù)碼相機，能夠快速獲取所需的場景照片，并主動嵌入點云數(shù)據(jù).

圖1 碉樓三維激光掃描及儀器坐標系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional laser scanning and instrumentation coordinate system

2 研究區(qū)及點云數(shù)據(jù)采集

2.1 研究區(qū)概況

開平碉樓群，坐落在廣東省中南部的著名僑鄉(xiāng)江門市開平境內(nèi)，是目前廣東省唯一一處世界文化遺產(chǎn).開平碉樓是一種集家族居住、防御入侵、中西建筑交融等功能于一身的塔樓式古建筑群體［6］.20世紀二三十年代，華僑的歸國帶動了碉樓的大量興建，使其發(fā)展成為一種深刻體現(xiàn)中國社會傳統(tǒng)與華僑文化的群體建筑形象.2007年，“開平碉樓與村落”被聯(lián)合國教科文組織正式載入《世界遺產(chǎn)名錄》，這也是我國首個以華僑文化為內(nèi)容主體的世界遺產(chǎn)項目.

本文正是以開平碉樓群中保存較好的瀾生居廬為掃描對象，利用三維激光掃描儀和Cyclone軟件模塊為測量工具，進行該古建筑物的點云數(shù)據(jù)采集工作.

2.2 古建筑掃描技術路線及其優(yōu)化

應用三維激光掃描的工作過程大致可分為計劃制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集（表1）和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理3部分［7］.在實施三維激光掃描前，一般需到工作現(xiàn)場進行實地的踏勘并確定控制點聯(lián)測的初步方案.根據(jù)測量方案確定最佳的設站位置與數(shù)量，從而獲取高質(zhì)量、高精度的點云數(shù)據(jù)模型以及有效的數(shù)據(jù)成果［8］.同時選擇合適的掃描站點，使得每個站點都應能最大范圍地掃描到目標場景.三維數(shù)據(jù)建模的好壞直接取決于掃描的質(zhì)量［9］.因此選取時應盡量保證每個站點沒有“盲點”即被遮擋的區(qū)域，確保掃描站點間能夠通視.根據(jù)測量的具體要求，還需要在被測區(qū)域內(nèi)至少布設3個或3個以上的標靶；一般要求每個標靶須測2組數(shù)據(jù)，取2者中值，以達到測量標靶的精度要求，同時盡量做到少搬動標靶，以提高拼接精度.

表1 外業(yè)測量工作量Table 1 The workload of outside measure

一般情況下，掃描工作的原則是先整體，后局部；先外部，后內(nèi)部；先底部，后頂部.平面控制和高程控制分別按二級導線準則與三等水準實施測量.以閉合導線為掃描線路，掃描的時候結(jié)合全站儀測量標靶的坐標，用于拼接.控制點的準確拼接是獲取完整點云數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)，合理的控制點布設有利于提高拼接的精度.

在傳統(tǒng)的古建筑測量的過程中，一般會存在某些局限性.例如，某些物體表面沒有漫反射（如建筑物的窗子）；掃描時通常會漏掉這些掃描目標；布設測量控制網(wǎng)時，沒有考慮到實際建筑物所處的方位而架設了多余的站點位置，這也是造成測量效率低下的一個較重要原因.為此，本文采用了近景攝影測量等方法加以彌補.此外，對于3D激光距離模型的真實表達，還采用相機對目標進行拍照，獲取相片紋理.另外，平常測量中，在布設測量站點控制網(wǎng)時，一般會在一個建筑立面的前方設置一個站點，但考慮到碉樓的實際情況即碉樓本身形狀較為規(guī)則，因而本文采用了一個站點掃描兩個立面的方法，從而使原本該設置8個站點的方案減少為只要設置5個站點即可.而為高效建立高精度的數(shù)字模型，必須保證表面掃描點具有必要的精度和較均勻的密度［10］.

圖2為優(yōu)化后測量控制網(wǎng)的布設示意圖.

在目標對象進行掃描測量的同時，為提高工作效率，可同步進行紋理的采集.一般可通過掃描儀的內(nèi)置同軸數(shù)碼相機采集，而在室內(nèi)拍照則需延長照相機曝光的時間.對于雕花、紋理等細節(jié)地方，則需要用高像素、高分辨率的相機正對地拍照.為保證貼圖的真實表達與效果表現(xiàn)，每張照片都需要經(jīng)過亮度／對比度、色階以及色相飽和度等必要的圖像調(diào)整，見圖3.

圖2 碉樓控制網(wǎng)的布設示意圖Fig.2 Schematic diagram of layout control network towers

圖3 碉樓點云數(shù)據(jù)圖像Fig.3 Points cloud image of watchtowers

此外，對于一些較大型的復雜建筑物，尤其是具有一定高度或者有阻礙物阻擋的建筑，可采用必要的輔助手段，使測量順利進行，以保證點云數(shù)據(jù)的完整性.例如，北京的故宮太和殿［11］，其殿頂瓦片的掃描量測是需要升降機的輔助完成的.碉樓的掃描測量同樣需要考慮到騷擾因素如建筑物周圍樹木等，并盡可能去除其帶來的影響.

2.3 點云數(shù)據(jù)配準與誤差分析

掃描后的數(shù)據(jù)必須進行點云數(shù)據(jù)的配準拼接，統(tǒng)一所有點云的坐標，并要刪減冗余與無效的數(shù)據(jù)，因為外業(yè)掃描的點云數(shù)據(jù)難免會產(chǎn)生各類噪聲，這些因素都會影響后期三維模型的建立.

圖4 點云數(shù)據(jù)配準示意圖Fig.4 Schematic diagram of Points cloud registration

而點云配準實質(zhì)上是一個將不同儀器坐標系下的點云數(shù)據(jù)換算為同一基準坐標系下，并組成三維空間數(shù)據(jù)集的復雜計算過程.如圖4所示，設在A、B 2個位置上分別放置掃描儀對相同對象進行掃描測量.分別在A處與B處采集到坐標系O1－x1y1z1下的點云數(shù)據(jù)A以及坐標系O2－x2y2z2下的點云數(shù)據(jù)B；點云配準即要將坐標系O1－x1y1z1和坐標系O2－x2y2z2下的點云數(shù)據(jù)A、B計算轉(zhuǎn)換至同一坐標系下，以便進行點云圖像的拼接操作.

假設有兩點云集合A、B，P1（X，Y，Z）∈A，K1（x，y，z）∈B，且P1、K1為同一物點在不同坐標系下的構(gòu)象，點云的配準即要使所有來自2個點云集合中代表被測對象表面同一物點的點對（P1，K1）滿足同一剛體變換（R，T），即

其中，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣，且R是1個正交矩陣，滿足以下性質(zhì)：

這是點云配準的基本公式，也被稱為空間相似變換公式.

具體的點云配準工作相應的分為2個關鍵步驟：①確定同名點對；②解算旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T.利用旋轉(zhuǎn)矩陣的正交特性列出6個條件方程，通過3組以上的共同標靶點的三維坐標值來進行解算，由于通過高密度掃描的標靶中心點坐標精度高，故一般情況下，自動拼接的精度最高，誤差在±5 mm左右，手動拼接的精度則最低.

根據(jù)碉樓的掃描實際情況，分別設掃描控制點為S1，S2，S3，S4和S5，點云拼接采用自動拼接與手動拼接結(jié)合的方法，其中S1與S2，S3與S4均采用自動拼接，S1234－S5采用手動拼接，誤差結(jié)果見圖5.

圖5 點云數(shù)據(jù)拼接誤差Fig.5 Error of points cloud registration

從圖5可得，點云拼接的最小誤差值為0.003 m，最大誤差值為0.014 m，誤差曲線在S1234與S5區(qū)間的誤差增大比較明顯，且呈遞增趨勢，其誤差較大的原因可能是標靶的放置不完美，手動拼接本身也存在誤差，經(jīng)過多次選點嘗試，誤差仍然較大，而考慮到該最大誤差屬于合理精度范圍內(nèi)，因此是滿足建筑物的掃描測量要求的.

當通過三維激光掃描系統(tǒng)完成點云數(shù)據(jù)的采集，并確定其完整性之后便可以轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)處理.本文使用的點云數(shù)據(jù)處理軟件是目前較為流行的Cyclone軟件.該軟件的MODEL模塊可以進行材質(zhì)貼圖，無論是傳統(tǒng)攝影測量所難以獲取的地形地貌圖，還是細節(jié)紋理均異常豐富的古建筑物正、側(cè)立面圖，都可以結(jié)合點云數(shù)據(jù)在該軟件經(jīng)過簡易處理而輕松獲得.

3 點云數(shù)據(jù)建模原理與方法

三維影像重建原理是指通過測量采集目標對象的線、面、空間等幾何實測數(shù)據(jù)導入計算機中，經(jīng)配準、拼接等操作后利用建模軟件進行精細三維逆向建模.

通過三維影像重建可以有效實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的可視化［12］.其工作流程見圖6.

圖6 三維影像重建步驟流程圖Fig.6 Flow chart of three-dimensional image reconstruction step

3.1 點云數(shù)據(jù)去噪與平滑

點云數(shù)據(jù)在拼接之后，需要進行去噪處理，即清除點云中的障礙物以及其他干擾因素；接著提取建筑物的線劃圖，這有助于構(gòu)建一比一的實體建筑模型.通過Cloudworx插件把點云導入CAD軟件進行提取線劃圖，包括每棟碉樓的外部立面圖、內(nèi)部立面圖、平面圖，尺寸誤差控制在3 cm內(nèi).

圖7為碉樓的正側(cè)立面線劃示意圖.

3.2 三維影像重建與成果

在AutoCAD、3DMax、SketchUp等許多可用于構(gòu)建虛擬建筑模型的軟件中，均有自身特點，考慮到精細性和渲染效果，本文采用了AutoCAD和3DMax軟件用于三維影像的重建.

圖7 碉樓正側(cè)面線劃圖Fig.7 Front and side line graph of watchtowers

在3DMax軟件中導入dwg文件格式的線劃圖文件，針對每一個建筑立面構(gòu)建樣條線進行古建筑物各立面的拼合.室外效果圖的建模工作可以用AutoCAD完成，然后導入到3DMax系統(tǒng)中生成三維模型，也可直接使用3DMax制作.但是無論用哪種方式建模，都必須保證建筑模型的精致、嚴謹和真實［14］.一幅古建筑的立面圖需要在不同的視圖中構(gòu)建門和窗的樣條線，并設置擠出命令的各建筑參數(shù)實施擠出，最終得到古建筑的三維影像仿真模型.

三維模型重建完成之后，為增強古建筑物的美觀程度與整體感覺，還需要對古建筑物的外墻、窗戶、雕花等進行材質(zhì)貼圖處理，并賦予建筑物材質(zhì)，同時還可以在影像模型中加入燈光照射的設置，以便使三維影像模型有一個更佳的表達效果.

最終的模型渲染效果圖見圖8.

圖8 碉樓模型渲染效果圖Fig.8 Renderings of watchtowers model

4 結(jié)束語

在廣東省內(nèi)，有價值的古建筑眾多，然而除了中山紀念堂、開平碉樓等著名古建筑額外受到重視與保護外，其他的古建筑保護力度仍然不足.

本文以開平碉樓為實驗對象，利用三維激光掃描技術進行測量掃描，以獲取其精細的點云模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建各個立面的線劃圖，并進行三維數(shù)據(jù)的快速影像建模.研究成果為以后古建筑的保護與復建提供了一個范例，尤其是對于廣東省內(nèi)古建筑的科學研究、保護、修繕、展示等均具有顯著意義.

三維激光掃描技術相比傳統(tǒng)測量技術有著巨大的優(yōu)勢.相對來講，三維激光掃描技術所需的設備成本較高以及技術還需進一步的發(fā)展成熟，但是綜合考慮到點云數(shù)據(jù)的可長期保存性，可無限次使用，并可生成數(shù)字化三維模型等優(yōu)點，三維激光掃描技術在古建筑的保護中應用前景是非常廣闊的，其性價比也是遠高于傳統(tǒng)測量技術.隨著三維激光掃描技術的廣泛推廣，此應用對不可移動文物遺址進行數(shù)字建模已成為現(xiàn)代文物保護、修繕等工作的首選技術手段.三維激光掃描這一先進技術的實施將進一步實現(xiàn)“文物保護數(shù)字化”并將在古建筑保護乃至其它應用領域發(fā)揮越來越重要的作用.

［1］ 謝媛媛.三維激光掃描技術及其在測量領域的應用［J］.價值工程，2012（15）：209. XIE Y Y.3D laser scanning technology and its application in measurement［J］.Value Engin，2012（15）：209.

［2］ 李暉，吳祿慎.三維激光掃描技術在虛擬現(xiàn)實中的應用［J］.南昌大學學報：工科版，2007，9（3）：240-241. LI H，WU L S.Application of 3D laser scan technology in virtual reality［J］.J Nanchang Univ：Engin Tech，2007，9（3）：240-241.

［3］ 王婷.文物真三維數(shù)字建模技術在秦始皇兵馬俑博物館中的應用——以一號坑陶俑為例［J］.文物保護與考古科學，2012（4）：103-108. WANG T.Application of 3D digital modeling technology to cultural relics in the Museum of the Terra-Cotta Warriors and Horses of Qin Shihuang：Case study on terra-cotta warriors in Pit No.1［J］.Sci Conserv Arch，2012（4）：103-108.

［4］ 熊友誼，馮志新，陳穎彪，等.利用點云數(shù)據(jù)進行三維可視化建模技術研究［J］.測繪通報，2012（5）：20-23. XIONG Y Y，F(xiàn)ENG Z X，CHEN Y B，et al.Research on technology of three-dimensional visual modeling based on point cloud data［J］.Bull Surv Mapp，2012（5）：20-23.

［5］ 吳靜，靳奉祥，王健.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模［J］.測繪工程，2007，16（5）：57-60. WU J，JIN F X，WANG J.Three dimension modeling of buildings based on three dimension laser scanner data［J］.Engin Surv Mapp，2007，16（5）：57-60.

［6］ 陳耀華，楊柳，顏思琦.分散型村落遺產(chǎn)的保護利用——以開平碉樓與村落為例［J］.地理研究，2013，32（2）：369-379. CHEN Y H，YANG L，YAN S Q.The protection and development of the world heritage of scattered-type villages：Taking Kaiping Diaolou and villages as an example［J］.Geogr Res，2013，32（2）：369-379.

［7］ 周大偉，吳侃，周鳴，等.地面三維激光掃描與RTK相結(jié)合建立開采沉陷觀測站［J］.測繪科學，2011（3）：79-81. ZHOU D W，WU K，ZHOU M，et al.Establishing mining subsidence observation station by combining terrestrial 3D laser scanning technology with RTK［J］.Sci Surv Mapp，2011（3）：79-81.

［8］ 丁延輝，邱冬煒，王鳳利，等.基于地面三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維模型重建［J］.測繪通報，2010（3）：55-57. DING Y H，QIU D W，WANG F L，et al.Building three-dimensional model reconstruction based on terrestrial 3D laser scanning data［J］.Bulletin Surv Mapp，2010（3）：55-57.

［9］ 鄧非，張祖勛，張劍清.利用激光掃描和數(shù)碼相機進行古建筑三維重建研究［J］.測繪科學，2007，32（2）：29-30. DENG F，ZHANG Z X，ZHANG J Q.3D reconstruction of old architecture by laser scanner and digital camera［J］.Sci Surv Mapp，2007，32（2）：29-30.

［10］徐進軍，張毅，王海成.基于地面三維激光掃描技術的路面測量與數(shù)據(jù)處理［J］.測繪通報，2011（11）：34-36. XU J J，ZHANG Y，WANG H C.Road surface surveying and data processing by 3D TLS［J］.Bull Surv Mapp，2011（11）：34-36.

［11］劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用［J］.測繪工程，2006（1）：48-49. LIU X C，DING Y H.Discussing the application of 3D laser scan technology in old architecture［J］.Engin Surv Mapp，2006（1）：48-49.

［12］陳述彭.數(shù)字地球百問［M］.北京：科學出版社，1999. CHEN S P.The 100 questions of digital earth［M］.Beijing：Science Press，1999.

The application of 3D laser scanning technology in Kaiping Watchtowers

XIE Jin-peng，CHEN Yin-biao，QIAN Qing-lan，HAN Fu-zhuang
（School of Geographical Sciences，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

In recent years，3D laser scanning technology with scanning speed，high precision provides a powerful technical means to obtain three-dimensional information space.By studying the three-dimensional laser scanning technology in the world cultural heritage Kaiping from point cloud data preprocessing to how to complete the process of quick modeling，a detailed analysis was carried out，and this paper compares the new technology with traditional measurement techniques.The results show that three-dimensional laser scanning technology has great significance to measure the amount of ancient architecture，providing powerful data support and technical support for the restoration and exhibition of ancient architecture protection and achieve the true proportions of the three-dimensional virtual simulation results.

point cloud data；image reconstruction；protection of ancient architecture；Kaiping Watchtowers

P 208

A

【責任編輯：陳 鋼】

1671-4229（2015）01-0076-06

2014－09－24；

2014－10－22

國家科技支撐計劃資助課題（2012BAH32B03）；教育部人文社科規(guī)劃基金資助項目（11YJAZH016）；住房和城鄉(xiāng)建設部科

學技術資助項目（2012-K8-42）

謝錦鵬（1990－），男，碩士研究生.E-mail：gzxjp90＠163.com

*通信作者.E-mail：gzhuchenyb＠126.com.