三維點(diǎn)云處理技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用研究

黃超

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的三維激光掃描技術(shù)有了很大進(jìn)展。三維激光掃描作為測繪新技術(shù)，為文物建筑測繪提供一個新手段，它具有無接觸、高精度、快速、所見即所得的優(yōu)點(diǎn)。本文首先總結(jié)了三維激光掃描的工作原理以及文物建筑測繪中的工作流程，包括外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理過程，接著分析了其中誤差來源，最后探討了三維激光掃描在文物建筑測繪中存在的一些問題。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;文物建筑測繪;應(yīng)用

引言

文物是一個國家寶貴的歷史遺產(chǎn)，我國對文物保護(hù)的投入正不斷加大，建立文物建筑預(yù)防性保護(hù)體系是其中的一項(xiàng)重要工作，其核心是實(shí)現(xiàn)文物信息的數(shù)字化，而三維信息采集與存儲是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的首要基礎(chǔ)工作。

1三維激光掃描的工作原理

三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取地形及復(fù)雜物體的表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其工作原理是：通過激光反射這一裝置，掃描儀對目標(biāo)進(jìn)行激光發(fā)射，通過對掃描儀內(nèi)置的計(jì)時系統(tǒng)進(jìn)行充分的利用，就可以測出激光發(fā)射和接受的時間差，從而計(jì)算出相應(yīng)被測點(diǎn)和掃描儀間的距離。根據(jù)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(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，將其輸入計(jì)算機(jī)的存儲設(shè)備之中。再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就能得到實(shí)體的三維幾何模型。

2三維激光掃描在文物建筑測繪中的工作流程

2.1制定工作計(jì)劃

制定工作計(jì)劃的內(nèi)容是根據(jù)文物建筑的自身和周圍環(huán)境的情況確定是否采用其他輔助的設(shè)施和工序，根據(jù)掃描精細(xì)程度和儀器的工作范圍確定大致掃描距離和掃描分辨率，根據(jù)掃描測站間的重疊程度和是否適合設(shè)站確定大致的掃描站數(shù)和掃描路線，根據(jù)天氣、任務(wù)量和工作環(huán)境確定時間安排。

2.2數(shù)據(jù)管理與存儲

由于文物建筑掃描測站數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，為便于數(shù)據(jù)管理，提高數(shù)據(jù)處理效率，需將測區(qū)人為地分割成多個層級，如按測站編號劃分、按樓層劃分、按單體劃分、按院落劃分等，每個層級還可以細(xì)分子層級，將各個子層級的測站數(shù)據(jù)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，待所有處理工序完成后再進(jìn)行合并。對應(yīng)的，掃描的原始數(shù)據(jù)也需按照相同的層級存儲，由此保證了繁雜的測站布置以及海量的測站數(shù)據(jù)在分級體系中有條不紊、結(jié)構(gòu)清晰，在后期數(shù)據(jù)管理分配以及最終成果制作調(diào)用上也做到準(zhǔn)確高效、使用靈活。

2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

第一步：采用徠卡公司的配套處理軟件Cyclone對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與配準(zhǔn)。將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，通過公共標(biāo)靶點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)各站數(shù)據(jù)的拼接。對于拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們再對其進(jìn)行統(tǒng)一的處理。第二步：由于三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，若不對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，就會對后期的點(diǎn)云建模產(chǎn)生重要的影響，故此，一定要將這些噪點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)一點(diǎn)的去除噪點(diǎn)。通過軟件的切片功能，將點(diǎn)云切成一定寬度的片狀顯示，并設(shè)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(diǎn)云，以免意外的刪除掉前面或背后的有用的點(diǎn)云。第三步：去噪完成后，整個崖壁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然是非常龐大的，所以需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，獲取各龕與各佛像的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以便后期的協(xié)調(diào)作業(yè)，提高工作效率。

2.4文物掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用

作為真實(shí)場景的數(shù)字化還原，文物建筑的掃描數(shù)據(jù)經(jīng)注冊拼接、過濾去噪、色彩均衡、通用格式轉(zhuǎn)換等處理后，可用于建立文物的三維模型或是直接存檔。由于掃描數(shù)據(jù)屬于高精度的測繪數(shù)據(jù)，海量點(diǎn)云借助于CAD軟件或者BIM軟件，可以進(jìn)一步挖掘出掃描數(shù)據(jù)的更多應(yīng)用。例如，把文物建筑的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入EdgeWise軟件進(jìn)行建筑構(gòu)件的自動識別，再通過Revit軟件進(jìn)行修正處理，可以方便準(zhǔn)確地建立文物三維模型，進(jìn)而得到文物建筑的平面圖、立面圖等成果;也可以將掃描點(diǎn)云沿水平面切片后導(dǎo)入AutoCAD（2014或更高版本），即可直接依據(jù)點(diǎn)云準(zhǔn)確繪制平面圖，作圖過程中不需要外業(yè)草圖，無須對不同地物點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

3三維激光掃描用于文物建筑測繪存在的問題

（1）數(shù)據(jù)采集缺失。三維激光掃描使用的激光脈沖不具有穿透力，在建筑物比較復(fù)雜、重疊嚴(yán)重的時候只采集可見部分的表面信息，對于遮擋部分會造成數(shù)據(jù)的缺失。此外，信號在傳播和接收途中受到各種原因的影響，部分信息可能無法記錄，雖然通過補(bǔ)洞等手段進(jìn)行部分補(bǔ)救，但是畢竟只是根據(jù)周邊數(shù)據(jù)按照一定算法進(jìn)行的數(shù)據(jù)填充的過程，沒有原始數(shù)據(jù)真實(shí)。（2）文物建筑信息提取有待改進(jìn)。三維激光掃描獲取的文物建筑的位置、大小、形狀等三維空間信息十分豐富，但是在獲取彩色圖案和紋理方面還有待完善。雖然通過相機(jī)獲取的圖像進(jìn)行貼圖獲取色彩，但是色彩信息還不夠清晰完整。（3）處理文物建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的專業(yè)軟件缺乏。目前，處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的商業(yè)軟件如Imageware，GeomagicStudio，RapidForm等雖然點(diǎn)云處理能力很強(qiáng)，但都是廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造方面，針對文物建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件亟待研發(fā)。（4）儀器貴重，推廣受限。高精度的三維激光掃描儀還主要依靠從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，動則幾十萬到上百萬元，對于一般的文物保護(hù)單位和施工單位來說很難承擔(dān)，在實(shí)際推廣中受限。

結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測繪技術(shù)日益豐富，其中三維激光掃描技術(shù)對于文物建筑的測繪而言是重要的，該技術(shù)有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，如：快速、精準(zhǔn)與無接觸等。通過本文的研究，三維激光掃描技術(shù)的作用將得到最大限度的發(fā)揮，文物建筑測繪工作將更加高效、準(zhǔn)確與科學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2010.

[2]白成軍，王其亨.三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[J].文物，2013，10（03）.

[3]白成軍，吳蔥，張龍.全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[N].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2013，11（05）.

[4]湯羽揚(yáng)，杜博怡，丁延輝.三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討[N].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10（04）.