基于三維激光掃描技術(shù)的木構(gòu)架文物變形監(jiān)測(cè)

鄭曉敏

【摘 要】目前，我國(guó)文化工作發(fā)展迅速，技術(shù)水平也不斷提高，在傳統(tǒng)木構(gòu)架文物的變形管理中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用較為廣泛?；诖耍疚膶?duì)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其在變形監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用展開(kāi)探討。

【關(guān)鍵詞】三維激光；激光掃描；掃描技術(shù)；文物變形

三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)激光對(duì)物體表面的信息以點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式表示出來(lái)，再經(jīng)過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、去噪和精簡(jiǎn)等過(guò)程，最后對(duì)物體的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)建模。隨著逆向工程的快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、考古、建筑、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

一、三維掃描技術(shù)

三維掃描這個(gè)詞來(lái)源于平面掃描，但與平面掃描使用線(xiàn)掃描的方式不同，三維掃描有基于點(diǎn)掃描的，基于單根線(xiàn)掃描的，基于多根線(xiàn)掃描的，還有基于整個(gè)面掃描的。長(zhǎng)距離三維掃描儀通常都是基于激光脈沖飛行時(shí)間測(cè)距原理，可用于石窟寺、摩崖造像、石橋等大型石質(zhì)文物的數(shù)字化信息釆集。在實(shí)際工作中，長(zhǎng)距離三維掃描儀可能會(huì)受到陽(yáng)光、溫度、濕度、氣壓、測(cè)量角度等多種因素的影響，應(yīng)該盡量選擇穩(wěn)定、干擾少的條件進(jìn)行工作。由于單次測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)因文物自身形狀的遮擋存在空洞，往往需要從多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量。為了更好地對(duì)齊測(cè)量結(jié)果，有時(shí)可以借助標(biāo)定球、標(biāo)定板等輔助手段。在大部分的工作中，長(zhǎng)距離三維掃描儀會(huì)配合測(cè)繪儀器共同工作，以完成更大范圍的準(zhǔn)確三維重建。與之相配套的測(cè)繪儀器可能包括全站儀、RTK（載波相位差分）、水準(zhǔn)儀、激光跟蹤儀等。在短距離的三維掃描設(shè)備領(lǐng)域，存在多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿S重建算法要區(qū)分的情況非常多，計(jì)算過(guò)程往往需要較多的人工干預(yù)才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。這也是其逐漸遠(yuǎn)離主流工作方法的重要原因之一。

二、三維激光掃描技術(shù)木構(gòu)架文物的變形監(jiān)測(cè)分析

1.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)路線(xiàn)

為探求木質(zhì)承重梁柱常態(tài)性變形規(guī)律，獲取變形數(shù)據(jù)，本文提出了木構(gòu)架文物變形監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)。為保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，在開(kāi)始階段建立了永久性測(cè)量控制點(diǎn)與掃描標(biāo)靶點(diǎn)。對(duì)一定時(shí)間內(nèi)木構(gòu)架文物建筑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，從而可以提取連續(xù)變化量和一定時(shí)間間隔的累計(jì)變形量。本文連續(xù)變化量時(shí)間長(zhǎng)度為一個(gè)季度，累計(jì)變形量周期為一年。為保證測(cè)量的精度，減少三維激光掃描系統(tǒng)的偶然性誤差，在多時(shí)相數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，采用相同測(cè)量?jī)x器、操作人員，統(tǒng)一掃描站點(diǎn)坐標(biāo)、儀器高度及掃描參數(shù)，控制掃描角、激光測(cè)距信號(hào)處理、目標(biāo)物體反射表面粗糙程度帶來(lái)的誤差影響。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)誤差引起的三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，可通過(guò)公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。

2.數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用徠卡ScanStationP40三維激光掃描儀，P40融合了高精度的測(cè)角測(cè)距技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、MixedPixels混合像元技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，測(cè)角精度為8″，測(cè)距精度為1.2mm+1×10-5D，掃描速率高達(dá)每秒100萬(wàn)點(diǎn)，掃描距離可達(dá)270m。為保證各站掃描數(shù)據(jù)具有較高精度的絕對(duì)坐標(biāo)及內(nèi)符合性，綜合考慮主題館周邊地形情況及竣工測(cè)量的精度，在主題館周邊利用青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)平面控制點(diǎn)，高程采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)，并以其中一個(gè)控制點(diǎn)RTK觀(guān)測(cè)下經(jīng)精化后的正常高作為起算點(diǎn)，作閉合水準(zhǔn)平差得到各個(gè)控制點(diǎn)的高程。架站時(shí)充分利用現(xiàn)場(chǎng)地形的高差起伏使掃描視野覆蓋整個(gè)主題館，為避免激光掃描方向與被掃物體夾角過(guò)大帶來(lái)的誤差，外業(yè)應(yīng)盡量保證正直掃描。

3.數(shù)據(jù)挖掘

最初三維激光掃描參數(shù)的值通過(guò)一些專(zhuān)業(yè)人員憑經(jīng)驗(yàn)確定，該方法速度快，而且簡(jiǎn)單，得到的三維激光掃描參數(shù)值直觀(guān)，但是由于人為因素的影響，得到值不太可靠，主要較強(qiáng)的主觀(guān)性，而且自動(dòng)化程度低，三維激光掃描的效率低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些三維激光掃描參數(shù)自動(dòng)、智能優(yōu)化方法。一些學(xué)者通過(guò)主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)三維激光掃描參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，找到三維激光掃描參數(shù)的最優(yōu)值，結(jié)果要比人工方法可靠，但是它們屬于線(xiàn)性?xún)?yōu)化方法，而三維激光掃描參數(shù)之間一種強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性聯(lián)，得到結(jié)果可解釋性差。為此一些學(xué)者提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性映射性能優(yōu)異，可以對(duì)三維激光掃描參數(shù)變化關(guān)系進(jìn)行回歸和擬合，三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化精度要高于主成分分析等傳統(tǒng)方法。然而在實(shí)際應(yīng)用中，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，建立最優(yōu)結(jié)構(gòu)十分困難，經(jīng)常得到“過(guò)擬合”的三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用的局限性非常明顯。近些年，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，其中支持向量回歸機(jī)的應(yīng)用范圍最為方法。支持向量回歸可以從大量數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏的規(guī)律，因此為三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化提供了一種工具。

4.BIM模型的建立

（1）鏈接點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后，首先利用RevitRecap軟件將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換為后綴名為*.rcp或者*.rcs的點(diǎn)云項(xiàng)目或點(diǎn)云項(xiàng)目索引格式；然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為參照鏈接插入到Revit項(xiàng)目中，為“族”庫(kù)以及最終完整模型的建立提供科學(xué)的參照依據(jù)。（2）建立“族”模型?！白濉笔轻槍?duì)建筑構(gòu)件來(lái)說(shuō)的，它的建立能夠使我們從宏觀(guān)的角度認(rèn)識(shí)某一特定類(lèi)型的建筑構(gòu)件全貌，并更直觀(guān)地展現(xiàn)某種構(gòu)件的各種分類(lèi)形式。由于古建筑的各個(gè)構(gòu)件與現(xiàn)代建筑不同，這些特殊的構(gòu)件都需要我們自己創(chuàng)建“族”來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而構(gòu)成規(guī)范化的古建筑族庫(kù)，服務(wù)于后續(xù)古建筑模型的建立。（3）建立標(biāo)高與軸網(wǎng)。標(biāo)高主要是用來(lái)確定建筑本身高度的信息，如層高、室內(nèi)外高差等，用作屋頂、樓板和天花板等以標(biāo)高為主體的圖元的參照。軸網(wǎng)是建筑制圖的主體框架，建筑物的主要構(gòu)件按照軸網(wǎng)定位排列。（4）利用scanto BIM插件識(shí)別平面。在所需識(shí)別的平面內(nèi)選擇3個(gè)以上像素較好的點(diǎn)，通過(guò)改變Shape Tolerance和Closeness Tolerance值來(lái)調(diào)整生成的平面至其與點(diǎn)云完全吻合。（5）建立完整模型。把族模型加進(jìn)項(xiàng)目中之后，就可以根據(jù)點(diǎn)云信息以及標(biāo)高軸網(wǎng)的約束，將構(gòu)件放置在墻上，通過(guò)創(chuàng)建類(lèi)似實(shí)例以及偏移、鏡像等功能，可以復(fù)制多個(gè)構(gòu)件滿(mǎn)足要求。最終將各個(gè)構(gòu)件連接，實(shí)現(xiàn)完整的BIM模型建立。（6）添加屬性信息。構(gòu)建屬性索引，將古建筑模型與古建筑全生命周期信息相關(guān)聯(lián)。屬性信息是BIM模型所特有的，也是將BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑數(shù)字化保護(hù)的重要一步。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)木構(gòu)架文物變形管理過(guò)程中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、BIM模型建立等多方面內(nèi)容，提高文物管理的實(shí)際水平。在實(shí)際應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)木質(zhì)文物變形監(jiān)測(cè)，對(duì)其變形趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有力的數(shù)據(jù)參考。

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