李濱，程承旗，段奇三

(1.北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京100871;2.北京大學(xué)工學(xué)院，北京100871;3.天元集思(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 101300)

1 點(diǎn)云技術(shù)的發(fā)展

點(diǎn)云(Point Cloud)是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中，對(duì)測(cè)量對(duì)象密集的空間采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的形象刻畫。它是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整采集到電腦中，進(jìn)而快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。另外，結(jié)合其他逆向工程軟件和各領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用軟件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可用于各種后處理應(yīng)用［1］。

點(diǎn)云技術(shù)的應(yīng)用始終伴隨著硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展而不斷地深入。早期的測(cè)量，包括手工的量測(cè)和后來基于激光測(cè)距的全站儀等精密儀器的測(cè)量，都屬于單點(diǎn)測(cè)量的范疇。采用激光進(jìn)行距離測(cè)量已有近四十年的歷史，而自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展使得點(diǎn)云技術(shù)最終成為現(xiàn)實(shí)。隨著測(cè)量速度的提升，測(cè)量形式也由量變引起質(zhì)變，由單點(diǎn)測(cè)量革命性的進(jìn)化到面測(cè)量階段。數(shù)據(jù)也由少量的特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)升華到海量數(shù)據(jù)的點(diǎn)云階段。從硬件方面來說，1995年Cyrax推出世界上第一個(gè)點(diǎn)云獲取的三維激光掃描儀的原型產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)點(diǎn)云獲取速度100點(diǎn)/s;經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前最新一代的產(chǎn)品中，掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取速度達(dá)到100萬(wàn)點(diǎn)/s。從軟件方面來說，隨著硬件的提升，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量急劇膨脹，如何瀏覽、處理、分析和展示海量的點(diǎn)云，成為軟件研發(fā)的重要內(nèi)容。尤其是如何在點(diǎn)云中提取需要的信息并最終以成果的形式加以呈現(xiàn)，是點(diǎn)云技術(shù)運(yùn)用的關(guān)鍵。點(diǎn)云處理軟件的研究，也是逆向工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方面。目前，通用的成熟的點(diǎn)云處理軟件，主要包括Polyworks，Geomagic等。

2 建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)中點(diǎn)云的應(yīng)用

建筑文化遺產(chǎn)負(fù)載著歷史與文化信息，總是以各種形式各種載體體現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)空間之中。建筑文化遺產(chǎn)不是永存的，隨著歲月的變遷和外界環(huán)境的變化，建筑文化遺產(chǎn)會(huì)慢慢消逝。尤其是當(dāng)前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，社會(huì)生活的各個(gè)方面都在發(fā)生急劇變化，特別是城市化進(jìn)程的加快，使得原有的建筑遺存消失的速度大大加快，如果不能及時(shí)加以發(fā)掘和保護(hù)，則很可能在極短的時(shí)間內(nèi)消逝。而給建筑文化遺產(chǎn)建立檔案尤其是數(shù)字檔案，無(wú)疑是保護(hù)工作的重要的一個(gè)前期環(huán)節(jié)。

隨著科技的進(jìn)步，給建筑文化遺產(chǎn)建立數(shù)字檔案的手段越來越多，越來越先進(jìn)。點(diǎn)云作為一種新的測(cè)量技術(shù)，又被稱作“實(shí)景復(fù)制”，是一種非常適合建筑文化遺產(chǎn)的技術(shù)手段。點(diǎn)云技術(shù)應(yīng)用于建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)有如下優(yōu)勢(shì):

首先，非接觸的數(shù)據(jù)獲取方式，在不觸及文化遺產(chǎn)的條件下進(jìn)行保護(hù)研究，從而減少保護(hù)干預(yù)中的不必要破壞，提高復(fù)原遺產(chǎn)古貌的準(zhǔn)確性;

其次，掃描速度快，獲取數(shù)據(jù)的外業(yè)工作時(shí)間大大縮短，提高了工作效率，減少了工作強(qiáng)度，減少了重復(fù)測(cè)量的次數(shù)，節(jié)省了人工;

第三，三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精度高，減少了傳統(tǒng)人工獲取數(shù)據(jù)的偶然性誤差;

第四，改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，無(wú)需搭建腳手架，直接在地面獲取完整數(shù)據(jù)，提高了工作安全性;

第五，數(shù)據(jù)記錄全面翔實(shí)，且展示成果多樣。

由于點(diǎn)云技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)方面具有上述獨(dú)特的特性，因此自2000年以來，點(diǎn)云技術(shù)逐漸被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的一些建筑文化遺產(chǎn)的保護(hù)研究和實(shí)踐之中。代表性的有麥積山石窟數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究、頤和園標(biāo)志建筑——佛香閣精細(xì)測(cè)繪、中國(guó)古建筑精細(xì)測(cè)繪——晉祠圣母殿精細(xì)測(cè)繪、中國(guó)古建筑精細(xì)測(cè)繪——山西萬(wàn)榮稷王廟、山西平遙鎮(zhèn)國(guó)寺天王殿與萬(wàn)佛殿精細(xì)測(cè)繪、北京先農(nóng)壇太歲殿古建筑精細(xì)測(cè)繪、武當(dāng)山南巖宮兩儀殿精細(xì)測(cè)繪與三維建模技術(shù)研究、三維激光掃描測(cè)量建模技術(shù)研究及在故宮古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用(國(guó)家測(cè)繪局測(cè)繪科技進(jìn)步一等獎(jiǎng))等。另外，長(zhǎng)城、敦煌莫高窟、云岡石窟、龍門石窟、樂山大佛、佛光寺、普樂寺、寧波保國(guó)寺、開平碉樓等一批國(guó)內(nèi)的歷史建筑、石窟、寺廟等建筑文化遺產(chǎn)，都有了點(diǎn)云技術(shù)的運(yùn)用［2～5］。

3 點(diǎn)云的精度

作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云的質(zhì)量直接影響后期處理的成果的精度。點(diǎn)云的精度一般包含了單點(diǎn)測(cè)量精度、角度精度、表面模型的精度、標(biāo)靶的精度、雙軸補(bǔ)償器的精度等。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于掃描儀的精度指標(biāo)，已經(jīng)有了一些探究［6～8］。其中，前三者與數(shù)據(jù)獲取的硬件設(shè)備緊密相關(guān);而模型表面精度很大程度上取決于軟件的算法。距離精度是指沿著激光發(fā)射裝置和被測(cè)物體的連線的方向上，測(cè)量值和真值之間的偏差。點(diǎn)位精度是指垂直于激光發(fā)射裝置和被測(cè)物體的連線的方向上，測(cè)量值的與真值之間的偏差。距離精度和點(diǎn)位精度，統(tǒng)稱為點(diǎn)云的范圍噪音。范圍噪音與數(shù)據(jù)獲取的硬件設(shè)備的精度直接相關(guān)，也與外界環(huán)境，比如溫度、氣壓和被測(cè)物體本身的反射率相關(guān)。并且，由于激光測(cè)量的誤差始終存在，決定了范圍噪音隨著硬件技術(shù)的提升只能盡可能的減小，不能完全杜絕。圖1顯示了同一個(gè)被測(cè)物體(橫線代表被測(cè)的墻面)的高范圍噪音和低范圍噪音的數(shù)據(jù)，其中的小圓點(diǎn)代表了點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的一個(gè)點(diǎn)［9］。

需要強(qiáng)調(diào)的是，范圍噪音是一個(gè)基于單點(diǎn)測(cè)量的精度的概念，它是多次重復(fù)測(cè)量的單點(diǎn)精度和重復(fù)性的度量，不是整體點(diǎn)云的絕對(duì)的準(zhǔn)確度。這里需要引入一個(gè)描述點(diǎn)云的處理結(jié)果精度的概念:模型表面精度。所謂模型表面精度，是指利用軟件對(duì)點(diǎn)云中的大量的散點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，建立表面模型，得到的模型與真值之間的偏差。以圖1中的兩個(gè)數(shù)據(jù)為例，分別對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析建立模型之后，擬合出來的模型平面將非常接近。并且擬合出來的結(jié)果與真實(shí)墻面之間的偏差要大大小于范圍噪音。也就是說，由于模型表面精度是對(duì)大量散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算后得出的結(jié)果，因此其比范圍噪音在數(shù)值上更小，也即模型表面精度要優(yōu)于范圍噪音。模型表面精度與點(diǎn)云的質(zhì)量有關(guān)，也與軟件中的算法有關(guān)。

圖1 高范圍噪音(左)和低范圍噪音(右)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄了目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)信息、反射率信息和紋理信息。而對(duì)點(diǎn)云的處理，主要分為色彩的處理、點(diǎn)狀和線狀特征的提取和體特征的提取。

點(diǎn)云作為客觀世界的真實(shí)記錄，色彩還原是基礎(chǔ)的步驟。原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般都是單色或者假彩色。單色是給點(diǎn)云賦予了單一的色彩，而假彩色則是根據(jù)一定的規(guī)則，比如點(diǎn)云中點(diǎn)的反射率的強(qiáng)弱(返回激光與出射激光之間的能量比值)或是點(diǎn)的高度，有規(guī)律的賦予每個(gè)點(diǎn)彩色信息。對(duì)于建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)而言，一般需要還原為真彩色的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通常，采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)記錄下真實(shí)的色彩和紋理，通過軟件，進(jìn)行紋理映射，將點(diǎn)云還原成真彩色。

對(duì)于點(diǎn)狀和線狀特征的提取，一般在現(xiàn)有的點(diǎn)云處理軟件都可以實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)狀特征比較容易提取，可直接在點(diǎn)云中捕捉。線狀特征可直接通過捕捉關(guān)鍵點(diǎn)生成，也可通過軟件中的一些算法實(shí)現(xiàn)。比如利用徠卡的基于CAD的CloudWorx插件，可在CAD中打開點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行切片處理，得到的點(diǎn)云切片可通過軟件自帶的擬合功能，將直線、圓、弧段等線狀特征通過計(jì)算自動(dòng)擬合生成。

對(duì)于體特征的提取，如果對(duì)象是規(guī)則的幾何體，可通過點(diǎn)、線、平面、柱體、臺(tái)體、球體等或它們的組合加以實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于建筑文化遺產(chǎn)中的非規(guī)則對(duì)象，特別是中國(guó)古典建筑和雕塑等對(duì)象，其表面是復(fù)雜曲面，無(wú)法通過規(guī)則的幾何體進(jìn)行表面建模，就需要專門的軟件進(jìn)行體特征的提取。這類軟件主要有Polyworks和Geomagic等。其方法是通過一定的算法，構(gòu)建對(duì)象表面的三角格網(wǎng)，從而形成對(duì)象的表面模型。再通過專門的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，比如3D max或Skyline等展示平臺(tái)，可以將建筑文化遺產(chǎn)數(shù)字化的展現(xiàn)。圖2顯示了點(diǎn)云技術(shù)對(duì)一座鐘亭的數(shù)據(jù)處理流程和成果形式。

圖2 實(shí)物→點(diǎn)云(假彩色，真彩色)→表面模型→線畫圖(立面圖，剖面圖)

5 成果形式

點(diǎn)云在建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)中的成果形式主要有以下幾類［1］:

5.1 原始點(diǎn)云

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)際物體的真實(shí)尺寸的復(fù)原，是目前最完整、最精細(xì)和最快捷的對(duì)建筑文化遺產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行檔案保存的手段。點(diǎn)云數(shù)據(jù)不但包含了對(duì)象物體的空間尺寸信息和反射率信息，還可以精細(xì)的保留對(duì)象物體的紋理色彩信息;結(jié)合其他定位儀器可以將整個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)放置在一定的空間坐標(biāo)系內(nèi)。

通過點(diǎn)云處理軟件，我們可以在點(diǎn)云中實(shí)現(xiàn)漫游、瀏覽和對(duì)物體尺寸、角度、面積、體積等的量測(cè)。徹底替代了傳統(tǒng)的用皮尺測(cè)量的方法，直接將對(duì)象物體移到電腦中，利用點(diǎn)云在電腦中完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)繪工作，是完全地將實(shí)景復(fù)制到了電腦中。

5.2 線畫圖件

作為傳統(tǒng)的文化遺產(chǎn)保護(hù)尤其是建筑文化遺產(chǎn)的成果之一，是各種的線畫圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖等。這些圖件可以表示建筑物文化內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形式、分層情況，說明建筑物的長(zhǎng)、寬、高的尺寸，地面標(biāo)高，層頂?shù)男问剑T窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設(shè)計(jì)形式和各部位的聯(lián)系、材料及其高度等。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CAD中使用基于CAD的點(diǎn)云處理插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面、剖面圖和正射影像圖。不但制圖速度大大提高，也提高了制圖精度，還大大減少了外業(yè)人員的工作量。

5.3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

利用各種點(diǎn)云發(fā)布軟件和三維展示平臺(tái)，掃描的點(diǎn)云可以發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)端用戶通過互聯(lián)網(wǎng)有如置身于真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境之中。發(fā)布的點(diǎn)云不但可以網(wǎng)上瀏覽，還可以實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的量測(cè)、標(biāo)注等。有利于數(shù)據(jù)共享和現(xiàn)有文物的網(wǎng)上展示。尤其是對(duì)于一些不宜長(zhǎng)期向公眾開放的文物景點(diǎn)，通過網(wǎng)上發(fā)布的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求。

5.4 數(shù)字化模型

點(diǎn)云技術(shù)比較適用于建筑文化遺產(chǎn)中的古典建筑、古墓葬、石窟、佛像、雕塑等的虛擬再現(xiàn)。掃描獲取的數(shù)據(jù)可以利用專門的點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行建模，構(gòu)建表面格網(wǎng)模型，再通過紋理映射或是導(dǎo)入到其他三維軟件中進(jìn)行紋理貼圖，最終得到建筑文化遺產(chǎn)的數(shù)字化的模型。

5.5 建筑文化遺產(chǎn)的視頻資料

結(jié)合點(diǎn)云處理軟件的空間漫游和電影動(dòng)畫制作功能，在掃描后的點(diǎn)云中設(shè)置漫游路徑，可以實(shí)現(xiàn)有如真實(shí)空間中的漫游效果。通過點(diǎn)云處理軟件自帶的記錄功能，可以將漫游過程錄制成視頻文件，這是虛擬漫游的很好的工具，也有利于作為成果進(jìn)行保存、宣傳和展示。

6 研究和應(yīng)用探討

目前，點(diǎn)云技術(shù)在建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)的應(yīng)用正逐步拓展和深入。在實(shí)踐中我們也發(fā)現(xiàn)了該項(xiàng)技術(shù)的一些值得研究和應(yīng)用的課題。一是自動(dòng)噪音剔除技術(shù)。點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量非常豐富，在記錄了目標(biāo)對(duì)象的豐富的信息的同時(shí)，也記錄了大量的無(wú)關(guān)的噪音信息。目前對(duì)噪音信息的剔除主要通過手工的方式，如何提高噪音的自動(dòng)識(shí)別和剔除，是應(yīng)用和研究的一個(gè)方向。二是自動(dòng)成圖技術(shù)。點(diǎn)云提供了基礎(chǔ)的原始數(shù)據(jù)，如何通過軟件自動(dòng)的獲取各種需要的成果圖件，提高成圖的效率和精度，也是將來研究的一個(gè)方向。三是自動(dòng)建模技術(shù)。目前在識(shí)別點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的體模型時(shí)，只能半自動(dòng)的識(shí)別一些規(guī)則的幾何體，而對(duì)于非規(guī)則幾何體的復(fù)雜曲面，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的自動(dòng)建模，也是點(diǎn)云處理軟件的一個(gè)研究的重要方向。四是對(duì)中國(guó)的古典建筑文化而言，如何將中國(guó)傳統(tǒng)建筑的構(gòu)件參數(shù)化，建立中國(guó)古典建筑的模型庫(kù)，將也是研究和應(yīng)用方面的一個(gè)重要課題。傳統(tǒng)建筑模型庫(kù)的建立，將大大提高點(diǎn)云技術(shù)在中國(guó)建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)應(yīng)用中的適用性和效率。五是標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范問題。點(diǎn)云技術(shù)作為一個(gè)新技術(shù)，加上相對(duì)而言實(shí)施項(xiàng)目的絕對(duì)數(shù)量并不是很大，因此目前尚無(wú)系統(tǒng)的工作方法、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。方法與標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，有助于數(shù)據(jù)的共享，有助于將來實(shí)現(xiàn)全國(guó)乃至全球范圍內(nèi)的文化遺產(chǎn)保護(hù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。上述方法和標(biāo)準(zhǔn)問題還需要測(cè)繪、文化遺產(chǎn)保護(hù)、歷史、計(jì)算機(jī)等各方面專家的共同努力。

點(diǎn)云技術(shù)的出現(xiàn)，大幅度提高了建筑文化遺產(chǎn)測(cè)繪的工作效率和成果表現(xiàn)形式。在建筑文化遺產(chǎn)的現(xiàn)狀測(cè)繪與數(shù)字化存檔、虛擬重建、災(zāi)害分析、輔助修復(fù)、信息管理等方面都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。這項(xiàng)新技術(shù)在實(shí)踐過程中的一些方法還需要進(jìn)一步的探討和總結(jié)，有一些標(biāo)準(zhǔn)有必要盡快建立，以便于推動(dòng)我國(guó)的建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。

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