張晨頤 王濤 楊左翠 楊曉軍

摘要：三維激光掃描技術(shù)是一種全新的古建筑測(cè)繪手段，本文以玉溪市老城區(qū)改造為契機(jī)，通過(guò)地面三維激光掃描儀采集文星閣點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可對(duì)古建筑進(jìn)行精密測(cè)繪，利用SU軟件創(chuàng)建文星閣三維實(shí)景模型，繪制二維平面圖、立面圖等，滿(mǎn)足古建筑數(shù)字化存檔需求。

Abstract： Three-dimensional laser scanning technology is a brand-new means of surveying and mapping ancient buildings. Taking the transformation of Yuxi old city as an opportunity， this paper collects point cloud data of Wenxing Pavilion through three-dimensional laser scanner on the ground， which can make precise surveying and mapping of ancient buildings， create three-dimensional scene model of Wenxing Pavilion by using SU software， draw two-dimensional plan and elevation map， etc. to meet the needs of digital archiving of ancient buildings.

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;SU;點(diǎn)云數(shù)據(jù);三維建模

Key words： 3D laser scanning;SU;point cloud data;3D modeling

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0241-03

0? 引言

古建筑本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，如古建筑中的銘文、雕刻、文字、彩繪等，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法無(wú)法獲取詳細(xì)的數(shù)據(jù)，同時(shí)傳統(tǒng)測(cè)繪在測(cè)量的過(guò)程中避免不了要接觸到古建筑，這就有可能對(duì)古建筑造成二次的破壞[1]。除此之外，傳統(tǒng)測(cè)繪人員需求量大、測(cè)繪工作量大、數(shù)據(jù)繁雜、單點(diǎn)測(cè)量的方式難以體現(xiàn)出建筑物的整體性。三維激光掃描技術(shù)采用的是非接觸的測(cè)量方式，具有快速、精確、全方位、不但能夠彌補(bǔ)細(xì)部數(shù)據(jù)獲取難度大的缺點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)三維建模，改變了僅靠表面特征及立體想象的工作思路，為古建筑的研究提供了新的視野[2-3]。

1? 地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文采用的是STONEX X500Plus三維激光掃描儀，根據(jù)測(cè)站需要設(shè)置靶紙，測(cè)站間至少滿(mǎn)足3個(gè)公共靶紙，可保證將每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一坐標(biāo)系中。本次掃描分八個(gè)測(cè)站，分別布設(shè)在建筑物的四個(gè)對(duì)角，每個(gè)正面各一個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站的掃描角度范圍大致為40°-60°，測(cè)站與建筑物間距5m，相鄰測(cè)站間保持30%的掃描重疊度，具體測(cè)站布置如圖1所示[5]。

1.2 點(diǎn)云拼接

將掃描的8個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到儀器自帶點(diǎn)云處理軟件中，通過(guò)相鄰測(cè)站間的公共靶紙及特征點(diǎn)對(duì)相鄰測(cè)站的點(diǎn)云進(jìn)行拼接[6]。整體點(diǎn)云拼接效果圖如圖2所示。

本文研究以WXG1為基準(zhǔn)站，作為全局參考，拼接對(duì)的拼接質(zhì)量如表1所示。

1.3 點(diǎn)云去燥

利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件的去燥功能，刪除多余的點(diǎn)云，如飄移點(diǎn)、孤立點(diǎn)、冗余點(diǎn)等[7]。去燥后的古建筑外部點(diǎn)云如圖3所示。

2? 古建筑特征線(xiàn)的提取

利用Autodesk Recap將預(yù)處理好的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為RCS格式文件，利用AutoCAD點(diǎn)云插入工具將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD中。在CAD中通過(guò)在不同的視角、不同的高度進(jìn)行剖切，得到古建筑物的各個(gè)構(gòu)件（如：墻體、門(mén)窗、臺(tái)基、主體等）的平面位置。在繪制平面圖與立面圖時(shí)，根據(jù)不同的局部要求，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失的局部位置進(jìn)行單獨(dú)剖切，進(jìn)行曲面擬合得到最終的平、立面圖[8-9]。如圖4、圖5所示。

3? 古建筑三維建模

傳統(tǒng)的古建筑中屋頂?shù)男螒B(tài)是最特別的，屋頂?shù)男螒B(tài)有出檐、屋面、檐口、翹起的翼角、突出的脊式、豐富的瓦飾方面等。本文是采用SU軟件，將CAD繪制的二維線(xiàn)劃圖導(dǎo)入之后，制作三維模型。在分析古建筑的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文采用了分層建模的思路。將建筑物以樓層為單位分成三大部分進(jìn)行建模，部分構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)建模，如：門(mén)窗，室外臺(tái)階，屋頂?shù)?，最后將其拼接到建筑物上。部分建模完成后的?gòu)件如圖6所示[10]。

本文對(duì)古建筑的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)建模，并創(chuàng)建組件，對(duì)組件進(jìn)行命名。那些不規(guī)則的局部構(gòu)件，通過(guò)單獨(dú)提取出相應(yīng)的點(diǎn)云，在Geomagic Studio軟件中再進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)建模，形成模型后將其導(dǎo)入到SU中，確定古建筑各個(gè)構(gòu)件的具體位置，以AutoCAD二維平面圖為構(gòu)件組合的參考點(diǎn)與參考線(xiàn)，將各組件組合成一個(gè)獨(dú)立、完整的三維立體模型。如圖7所示。

為了使古建筑模型更加具有真實(shí)感，貼合實(shí)際，表現(xiàn)出各個(gè)細(xì)節(jié)、圖案和色彩，起到更好的保存和展示作用，需要給三維模型表面賦予紋理，以反映出古建筑的現(xiàn)狀。 在古建筑三維模型幾何框架下，其三維模型的紋理數(shù)據(jù)主要來(lái)源于數(shù)碼相機(jī)拍攝的建筑物照片，本文通過(guò)數(shù)碼相機(jī)采集古建筑的各個(gè)方位高清照片，在SU中進(jìn)行古建筑紋理貼圖，如圖8所示。