李莎莎+焦元冰

摘 要：作為一種新型的測(cè)繪技術(shù)，在文物建筑測(cè)繪中，三維激光掃描在其中發(fā)揮了重要的作用。本文就三維激光掃描在吳山石佛院建筑測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物建筑測(cè)繪；應(yīng)用

0 前言

石佛院，位于杭州吳山風(fēng)景區(qū)， 在院內(nèi)依山鐫刻有五尊石佛，開(kāi)鑿于五代吳越國(guó)時(shí)期，為杭州市內(nèi)現(xiàn)存最大的石刻造像，具有較高的藝術(shù)價(jià)值、研究?jī)r(jià)值和文物價(jià)值，1992年被列為杭州市級(jí)文物保護(hù)單位。下文就三維激光掃描在其中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

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(guò)激光反射這一裝置，掃描儀對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光發(fā)射，通過(guò)對(duì)掃描儀內(nèi)置的計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行充分的利用，就可以測(cè)出激光發(fā)射和接受的時(shí)間差，從而計(jì)算出相應(yīng)被測(cè)點(diǎn)和掃描儀間的距離。根據(jù)以下兩個(gè)方向的角度值，一個(gè)是水平方向；另一個(gè)是垂直方向，就能將被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，將其輸入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備之中。再對(duì)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 主要優(yōu)勢(shì)

（1）高精度：三維激光掃描技術(shù)在作業(yè)過(guò)程中人為干預(yù)比較少，尤其在數(shù)據(jù)采集階段，極大的減少了人為因素產(chǎn)生的誤差，且其本身的測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

（2）非接觸式：三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式激光測(cè)量方式，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描，獲取其表面的三維坐標(biāo)信息。因此避免了在測(cè)量過(guò)程中對(duì)目標(biāo)物造成的接觸式損害。

（3）高效率：對(duì)于三維激光技術(shù)來(lái)說(shuō)，每秒能采集百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)以上的數(shù)據(jù)，可以快速的完成外業(yè)采集工作，相對(duì)于傳統(tǒng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度提高了數(shù)倍。

由于三維激光掃描技術(shù)有著高精度、非接觸式、高效率、直觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在文物保護(hù)領(lǐng)域之中，該技術(shù)將會(huì)發(fā)揮較大的作用。

3 該技術(shù)在吳山石佛院建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 確定工作內(nèi)容

石佛院造像現(xiàn)狀測(cè)繪的工作內(nèi)容包括：

（1）通過(guò)對(duì)石佛院造像及其所賦存巖體進(jìn)行三維激光掃描，并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、抽稀、統(tǒng)一化等處理，制作造像正射影像圖、平面圖。

（2）利用處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型，利用模型制作立面圖、剖面圖。

（3）通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行紋理設(shè)置和貼圖等處理，制作真彩三維模型。

（4）最后把真彩三維模型導(dǎo)入引擎，制作動(dòng)畫(huà)和虛擬互動(dòng)應(yīng)用程序。

3.2 技術(shù)設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目將綜合運(yùn)用三維激光掃描、GPS-RTK測(cè)量、數(shù)字地形測(cè)繪、精密工程測(cè)繪、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量以及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)手段，提供豐富的測(cè)繪成果，為文物保護(hù)與研究提供了詳細(xì)的資料。總體技術(shù)流程圖如下圖所示。

3.3 三維激光掃描

第一步：根據(jù)佛龕形狀及周邊樹(shù)木等遮擋物的位置，對(duì)測(cè)站點(diǎn)的位置以及標(biāo)靶位置進(jìn)行科學(xué)合理的選擇。本次測(cè)繪共計(jì)布設(shè)了13個(gè)測(cè)站，在這之中，有10站是針對(duì)整個(gè)石壁進(jìn)行的掃描，至于剩下的幾站，則主要是對(duì)石佛院整個(gè)院子進(jìn)行的掃描。設(shè)站方式主要是運(yùn)用任意設(shè)站的測(cè)量方式，也就是每站都是獨(dú)立坐標(biāo)，各站之間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，則是通過(guò)標(biāo)靶拼接成一個(gè)統(tǒng)一的獨(dú)立坐標(biāo)系，然后實(shí)測(cè)三個(gè)標(biāo)靶的杭州坐標(biāo)系坐標(biāo)，把拼接后的坐標(biāo)系歸算到我們使用的平面直角坐標(biāo)系中。

第二步：本次使用的標(biāo)靶為3"標(biāo)靶，為了使點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度得到確保，標(biāo)靶的布設(shè)有著一定的規(guī)范，要布設(shè)在不同的高度以及不同的平面位置。在測(cè)站上掃描3個(gè)以上標(biāo)靶，并對(duì)標(biāo)靶掃描信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，使標(biāo)靶掃描的正確性得到有效的保障。

第三步：采用高分辨率掃描和合適的掃描范圍，并采用外置相機(jī)，來(lái)對(duì)全景影像進(jìn)行拍攝，以便得到完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4 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(duì)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(guò)公共標(biāo)靶點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)各站數(shù)據(jù)的拼接。對(duì)于拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們?cè)賹?duì)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(shí)，其掃描范圍較廣，會(huì)包含所有地的所有信息，這樣一來(lái)，就會(huì)采集一些沒(méi)有用處的數(shù)據(jù)，若不對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，就會(huì)對(duì)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(lái)看，能夠沒(méi)有自動(dòng)去噪的這個(gè)功能，因此只能依靠人工的手段，來(lái)一點(diǎn)一點(diǎn)的去除噪點(diǎn)。通過(guò)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(gè)好的視角，從幾個(gè)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(gè)崖壁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然是非常龐大的，所以需要對(duì)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。

3.5 三維建模

第一步：將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后將其導(dǎo)入到Geomagic這款軟件之中。

第二步：將導(dǎo)入的點(diǎn)云進(jìn)行著色處理，使其能夠更好地顯示點(diǎn)云，接下來(lái)再進(jìn)行一些幾種操作：（1）非連接項(xiàng)；（2）去除體外孤點(diǎn)；（3）減少噪聲；（4）封裝等。

第三步：首先，將封裝的對(duì)像數(shù)據(jù)進(jìn)行流行操作，再對(duì)其進(jìn)行填充孔的處理；用砂紙打磨多邊形，將一些凸起的特征，或多余特征進(jìn)行去除，再對(duì)多邊形模型進(jìn)行松弛操作；其次，對(duì)相交區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，對(duì)于一些不規(guī)則三角形數(shù)據(jù)進(jìn)行去除，最后，圍繞各處邊界來(lái)進(jìn)行操作處理。

3.6 存在的問(wèn)題

三維激光掃描雖然可以對(duì)造像的三維模型進(jìn)行逼真的重建，可以對(duì)造像的坐標(biāo)信息進(jìn)行快速的獲取，但是這種技術(shù)也存在著或多或少的問(wèn)題

（1）由于造像相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，往往會(huì)存在測(cè)量“死角”，例如，在造像的頂部與石壁連接處，或者是造像被樹(shù)木遮擋處等，所以根據(jù)點(diǎn)云建立起的三維模型，就會(huì)呈現(xiàn)較多的表面空洞，而要想處理這些空洞，則需要工作人員進(jìn)行手動(dòng)修補(bǔ)，這樣一來(lái)，就在一定程度上影響了建立的模型精度。

（2）在點(diǎn)云去噪時(shí)，主要是采用人工去噪的這一方法，這種處理手段有可能會(huì)把正確的點(diǎn)云刪除。特別是當(dāng)石壁上存在一些雜草時(shí)，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)就很難進(jìn)行處理，因?yàn)樗鼈儠?huì)緊貼著石壁，很難根據(jù)噪點(diǎn)數(shù)據(jù)的以下幾種特性來(lái)進(jìn)行刪除，一種是非連續(xù)性、另一種是離散性等，從而影響了建立的模型精度。

4 結(jié)語(yǔ)

由于篇幅受限，本文重點(diǎn)對(duì)三維掃描技術(shù)進(jìn)行了講述，至于立面圖的繪制以及正射影像圖的制作等都沒(méi)有進(jìn)行講述。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也取得了不斷的發(fā)展，它的出現(xiàn)創(chuàng)新了文物建筑測(cè)繪的方法，會(huì)為我國(guó)的文物保護(hù)工作提供重要的助力。

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