許 偉 韓會(huì)偉 唐子奇

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)調(diào)查院 石家莊 050081)

研究主要目的是為文物保護(hù)部門(mén)提供潘家口長(zhǎng)城烽火臺(tái)修繕工程所需要的三維數(shù)據(jù)，研究中使用三維激光掃描技術(shù)，因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有的明顯的優(yōu)勢(shì)：它能夠完整地重建掃描實(shí)物，快速獲得高精度原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其掃描獲得點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集于目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的成果真實(shí)可靠。

此段長(zhǎng)城維修性質(zhì)定位為現(xiàn)狀修整，堅(jiān)持最小干預(yù)的原則，所有涉及的補(bǔ)砌、修補(bǔ)、添加等措施均以長(zhǎng)城的安全為目的，且與相鄰部位墻體相協(xié)調(diào)，保持整個(gè)長(zhǎng)城歷史滄桑感，保留和展示各時(shí)期長(zhǎng)城特點(diǎn)，把保證長(zhǎng)城安全性和真實(shí)性放在首位。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)長(zhǎng)城位于河北省遷西縣西北和寬城滿族自治縣西南部，為寬城縣與遷西縣共有，地理位置如圖1所示。

該段長(zhǎng)城是明代薊鎮(zhèn)長(zhǎng)城的重要組成部分，始建于洪武年間，嘉靖、萬(wàn)歷年間重修。位于河北省遷西縣西北和寬城滿族自治縣西南部，為寬城縣與遷西縣共有。自潘家口水庫(kù)1979年蓄水后，部分長(zhǎng)城被淹沒(méi)在水中。淹沒(méi)線以上長(zhǎng)城保存較好，包括磚石長(zhǎng)城和石墻長(zhǎng)城，內(nèi)外墻保存基本完整，局部坍塌，墻頂殘存地面磚，地面覆蓋的積土上生長(zhǎng)了大量植物，對(duì)長(zhǎng)城風(fēng)貌形成了遮擋，內(nèi)外側(cè)垛口墻部分殘存。由于自然侵蝕和人為破壞，此段長(zhǎng)城的墻體、墻芯、垛口墻、宇墻、地面受到不同程度損壞，有的甚至影響長(zhǎng)城結(jié)構(gòu)安全。部分外包磚墻坍塌缺失造成墻芯結(jié)構(gòu)松散，加速了城墻破壞速度，部分長(zhǎng)城現(xiàn)狀如照片1、2。

圖1 研究區(qū)地理位置概況圖

照片1 長(zhǎng)城峰火臺(tái)內(nèi)部現(xiàn)狀

照片2 長(zhǎng)城部分城墻現(xiàn)狀

2 三維點(diǎn)云內(nèi)業(yè)處理

外業(yè)掃描生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需導(dǎo)入進(jìn)專(zhuān)門(mén)的點(diǎn)云處理軟件中處理。內(nèi)業(yè)點(diǎn)云處理采用與徠卡C10掃描儀配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。內(nèi)業(yè)處理主要有點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入、球形標(biāo)靶定位、點(diǎn)云附加照片、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)化抽稀、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

內(nèi)業(yè)人員在電腦中建立文件夾存放不同次的掃描數(shù)據(jù)，打開(kāi)Cyclone軟件，并新建數(shù)據(jù)庫(kù)，采用掃描儀專(zhuān)用數(shù)據(jù)線與掃描儀直連的方式，將外業(yè)掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中。

2.2 球形標(biāo)靶定位

軟件提示數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功后，打開(kāi)各測(cè)站Model Spaces下的Modelspace View點(diǎn)云文件，按照外業(yè)掃描時(shí)繪制的球形標(biāo)靶位置示意圖，在點(diǎn)云中確定標(biāo)靶的具體位置(圖2)。

圖2 點(diǎn)云中確定球形標(biāo)耙的具體位置

在外業(yè)掃描完成后，徠卡C10三維激光掃描儀內(nèi)置的同軸相機(jī)對(duì)各測(cè)站都進(jìn)行全景拍照，Cyclone8.0軟件支持直接在點(diǎn)云中附加照片，照片會(huì)貼在每一個(gè)點(diǎn)云上，可使掃描效果更加真實(shí)，方便區(qū)分不同材質(zhì)的墻體，效果如圖3所示。按上述方法，對(duì)外業(yè)掃描的各站數(shù)據(jù)進(jìn)行球形標(biāo)靶定位。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)附加照片后效果

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

外業(yè)掃描時(shí)采用球形標(biāo)靶定位，通過(guò)RTK獲取了控制點(diǎn)的經(jīng)緯度及高程坐標(biāo)，利用徠卡掃描儀自帶軟件的點(diǎn)云拼接模塊進(jìn)行點(diǎn)云拼接：選中需要拼接的數(shù)據(jù)所在的文件，創(chuàng)建一個(gè)拼接，打開(kāi)拼接窗口，將要拼接的多個(gè)Scan World和測(cè)量坐標(biāo)添加到拼接窗口中，將測(cè)量坐標(biāo)設(shè)置為Home Scan World，自動(dòng)添加約束條件，拼接多站掃描得到完整的Scan World，拼接完成后顯示拼接誤差，先除去超標(biāo)誤差值，再重新計(jì)算誤差，直到誤差滿足項(xiàng)目規(guī)定的誤差要求，最后凍結(jié)這個(gè)拼接，生成新的Scan World(圖4)。

圖4 高精度原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪及抽稀

研究區(qū)噪點(diǎn)主要為山上樹(shù)木、雜草、空氣中的灰塵及儀器自身性能造成的散亂點(diǎn)。對(duì)于易判別的散亂點(diǎn)，肉眼判別后直接將其刪除；對(duì)于遮掩造成的噪點(diǎn)采用窗口最小值重復(fù)濾波法，可以去除大部分噪點(diǎn)(圖5)。

圖5 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

外業(yè)掃描采用的是高精度進(jìn)行掃描，其具體參數(shù)為100 m距離處：水平間距為0.05 m、豎直間距為0.05 m。掃描產(chǎn)生的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，盡管通過(guò)去噪后整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量降低了約20%，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)量仍然龐大，使得后期處理速度非常緩慢。內(nèi)業(yè)人員利用Cyclone8.0軟件的抽稀模塊Unify Clouds，將點(diǎn)云按照1 m的參數(shù)進(jìn)行抽稀。需要特別注意點(diǎn)云抽稀不可逆，要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提前備份。

3 三維剖面制作

3.1 點(diǎn)云剖面截取

為了勾繪烽火臺(tái)剖面圖，對(duì)烽火臺(tái)三維點(diǎn)云截取多個(gè)剖面。按照文物保護(hù)部門(mén)要求，需要截取烽火臺(tái)外墻三個(gè)面，內(nèi)部指定位置兩個(gè)剖面，樓梯中間位置剖面，走廊拱門(mén)中間位置東西兩處、南北兩處共四處剖面。截取的剖面點(diǎn)云如圖6、7所示。

圖6 烽火臺(tái)外墻面三維點(diǎn)云截面

3.2 剖面圖的繪制

烽火臺(tái)剖面圖可以有效的輔助文物保護(hù)設(shè)計(jì)單位制定工作計(jì)劃，為文物保護(hù)設(shè)計(jì)單位提供了非常重要的數(shù)據(jù)。目前各個(gè)三維激光掃描儀廠家的自帶軟件具有繪圖功能，但導(dǎo)出格式有限制，常不能和其它工程繪圖軟件結(jié)合使用。因此作業(yè)人員需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到常用的工程繪圖軟件中進(jìn)行進(jìn)一步處理，本次項(xiàng)目采用AUTO CAD軟件制作剖面圖。

三維掃描儀掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，如果直接導(dǎo)出，會(huì)因?yàn)橛?jì)算數(shù)據(jù)量過(guò)多而出錯(cuò)，所以在導(dǎo)出文件之前，先要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的抽稀操作。

經(jīng)過(guò)抽稀，將原來(lái)數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀減少為5萬(wàn)多個(gè)，抽稀后的點(diǎn)云具體數(shù)量，在導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)可以顯示。

圖7 烽火臺(tái)樓梯中間位置三維點(diǎn)云截面

使用AUTO CAD 2012需要加載專(zhuān)用的點(diǎn)云處理模塊，如圖8所示。

圖8 CAD加載點(diǎn)云處理模塊

按文物保護(hù)設(shè)計(jì)單位要求，對(duì)導(dǎo)出的點(diǎn)云繪制剖面圖(圖9、圖10與圖6、圖7對(duì)應(yīng))。烽火臺(tái)外墻繪制圖中，較大不規(guī)則圖形代表烽火臺(tái)的觀望口，小矩形代表破損的磚塊；烽火臺(tái)外墻繪制圖中，平行部分為走廊頂部，弧形部分為拱門(mén)。根據(jù)導(dǎo)出的點(diǎn)云繪制剖面圖，文物保護(hù)設(shè)計(jì)單位再根據(jù)剖面圖制定修繕計(jì)劃。

圖9 烽火臺(tái)外墻繪制圖

圖10 烽火臺(tái)內(nèi)部繪制圖

4 結(jié)論

以潘家口長(zhǎng)城烽火臺(tái)為例，介紹了利用三維激光掃描儀拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，詳細(xì)介紹了如何將Cyclone、AUTO CAD等軟件結(jié)合起來(lái)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維拼接、繪圖的整個(gè)過(guò)程。

將三維激光掃描儀引入文物保護(hù)是對(duì)傳統(tǒng)文物保護(hù)方法的擴(kuò)展與補(bǔ)充，在極大提高工作效率的同時(shí)提高了文物修復(fù)的精度，而且在某些條件下提供了傳統(tǒng)方法難以獲得的數(shù)據(jù)資料。

[1]許偉,李勇,蔡子昭.高精度激光掃描技術(shù)在黃安村地質(zhì)災(zāi)害測(cè)量中的應(yīng)用 [J],礦山測(cè)量,2015.

[2]邱俊玲.基于三維激光掃描技術(shù)的礦山地質(zhì)建模與應(yīng)用研究 [D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2012.

[3]張會(huì)霞.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)組織與可視化研究 [D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2010.

[4]閆利,崔晨風(fēng),張毅.三維激光掃描技術(shù)用于高精度斷面線生成的研究[J],遙感信息.2007,54-56.

[5]周華偉.地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建[D],昆明:昆明理工大學(xué)2011.