權玲，張官進 （.安徽理工大學，安徽 淮南 3000；.安徽科技學院，安徽 滁州 3300）

0 引言

古建筑在中國文化中占據(jù)舉足輕重的地位，更是世界建筑文化中不可缺少的部分，承載著國人的智慧，寄托著“國”和“家”的思念，其價值不言而喻。建筑物在破損修繕、異地重建過程中，因傳統(tǒng)測量方法的限制而費時費力，三維激光掃描技術的零接觸、大數(shù)據(jù)、高性能等特點，在古建筑的保護中發(fā)揮顯著優(yōu)勢，國內外研究人員對點云數(shù)據(jù)在建筑物模型重建中的應用進行了深入探索。文獻[5]以西北民族大學蝴蝶廳異地重建項目為例，提出了室內外一體化三維建模的研究思路；文獻[6]以朱德故居為例，闡述了基于三維激光掃描技術的古建筑精細數(shù)字化建模過程；文獻[7]提出基于激光三維掃描的建筑空間結構虛擬重建系統(tǒng)；文獻[8]針對甕城古城墻內側包砌城磚的損失問題，提出了一種掃描古城墻數(shù)據(jù)的實地采集、拼接去噪、修補孔洞以及三維建模的方法；文獻[9]以沈陽金融博物館，利用三維激光掃描技術進行數(shù)據(jù)處理、建模。

本文以安徽理工大學“紅樓”為例，在“紅樓”拆除前利用HS650三維激光掃描儀完成了數(shù)據(jù)的采集，并結合HD-3LS-SCENE、AUTODESK Re Cap 與3Dmax三款軟件進行模型重建。以期為“紅樓”數(shù)字化存檔和后期異地重建工作提供參考依據(jù)。

1 建模流程

主要流程：準備工作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、建模。建模流程如下圖所示。

三維建模流程

①準備工作。主要包括確定掃描儀最佳掃測距離、測區(qū)踏勘、掃描點選擇、布設標靶、確定掃描參數(shù)。

②數(shù)據(jù)采集。每測站設置合理掃描區(qū)域，保證測站間的最佳掃測重合度，同時拍攝建筑物照片，做好記錄。

③數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理質量決定建模精度，使用中海達HD-3LS-SCENE軟件拼接、去噪。

④建模。將處理后的數(shù)據(jù)經AUTODESK Re Cap壓縮、轉換格式后，導入3Dmax建模，并進行紋理貼圖。

2 基于三維點云的建模

安徽理工大學“紅樓”位于老校區(qū)中央，共三棟。開工于1950年，與縣級淮南市同時誕生；落成于1952年，與市級淮南市一起到來。是淮南城市發(fā)展的見證，是淮南市的歷史文化建筑。這三棟“紅樓”，集蘇式風格和中式對稱審美元素于一體，因紅磚紅瓦的中國紅元素，稱為“紅樓”，頗具美學價值，2019年已全部拆除。

2.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

①確定掃描距離。數(shù)據(jù)采集前，通過實驗確定數(shù)據(jù)采集的最佳距離。在相同外部條件下，掃描儀分別在10 m，30 m，50 m，100 m，125 m，150 m距離處進行掃描，每個距離掃描5次取平均值，同時在設站處使用全站儀進行測量。根據(jù)掃描、測量結果，計算各距離掃測中的誤差及內、外符合精度。結果表明，100 m范圍內，掃描儀精度及穩(wěn)定性較高，距離越近，精度越高，符合建模精度要求。綜合考慮精度及外業(yè)掃描工作量，確定25 m為三維建模時數(shù)據(jù)采集距離。

②現(xiàn)場踏勘?！凹t樓”周邊綠植較多，部分墻體被樹木遮擋，增大了數(shù)據(jù)采集的難度。測站數(shù)多，固然能獲取足夠數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)冗余度大；同時，測站過多，會降低測站整體拼接精度。

③掃描點布設。結合現(xiàn)場踏勘情況，挑選合適角度，最終確定四個掃描點，分別位于“紅樓”的四角。

④布設標靶。點云拼接時，需要標靶提供特征點。標靶不能集中，必須均勻分布，拼接時需要三個以上標靶同時出現(xiàn)在兩個測站內，并且標靶不能在同一直線上。

⑤數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)正式采集前，先預掃，確定掃描角度，同時確定掃描參數(shù)，保證數(shù)據(jù)充足而不冗余、數(shù)據(jù)精度高。數(shù)據(jù)采集時，每個測站做好詳細記錄，如遇突發(fā)情況，隨時暫停并重測。點云采集完成后，進行紋理采集，采用高分辨率照相機，控制拍攝角度、拍攝光線、所拍墻體部位，確保紋理完整、清晰。

2.2 數(shù)據(jù)處理

①點云拼接。拼接時需要確定至少三個同名點，組成大致等邊三角形。結果顯示，X、Y、Z三個軸向的拼接精度，最大為1.3cm，最小為0.08cm，整體拼接誤差為0.3mm，拼接精度較高。

②點云降噪。三維掃描點云數(shù)據(jù)量特別大，在掃描中，雖然已經進行最優(yōu)設置，但仍然存在很多與建模無關的數(shù)據(jù)，除建筑物與標靶外，任何數(shù)據(jù)都是多余的。這些多余的數(shù)據(jù)會造成數(shù)據(jù)處理較慢、建模精度低，應當刪除。在軟件中，肉眼識別噪聲點與軟件識別噪聲點相結合，刪除所有噪聲點，降噪后，點云數(shù)據(jù)減少了百分之八十。

2.3 建模

點云數(shù)據(jù)拼接與降噪后，經AUTODESK Re Cap處理、轉換格式，導入3Dmax軟件中建模，三維模型完成后，進行二維紋理貼圖。

①建模。處理后數(shù)據(jù)導入3Dmax軟件中，確定模型外部輪廓線，包括底部、上部等邊緣線，構成樓體的輪廓。輪廓線進行實體填充后，生成白膜。

②貼圖。貼圖是為了使模型更加美觀、真實。在3Dmax軟件中，導入處理后的紋理圖片，進行渲染、UVW貼圖，獲得“真實”“紅樓”模型。

3 模型評價

模型評價包括兩個方面，一是尺寸精度，二是紋理貼圖效果。評價精度，需要模型尺寸與真實建筑物尺寸相比較，確定二者尺寸誤差是否在精度允許范圍內?！凹t樓”模型尺寸可以在軟件中直接量測，實體數(shù)據(jù)使用全站儀測得，多次測量取均值。部分數(shù)據(jù)如上表所示。

模型與實體尺寸偏差

如上表所示，單個物體和墻面與墻面之間掃描清晰，數(shù)據(jù)易采集，精度較高；窗戶對角線數(shù)據(jù)可以反映模型變形情況，從表中可以看出，模型尺寸還原度高，幾乎沒有形變。整體考慮，模型尺寸與實體尺寸差值均在5cm范圍內，精度較高，符合精度要求。

紋理貼圖效果評價，將現(xiàn)場拍攝的高精度照片作為主要參考標準，并結合實物材質及歲月痕跡，考查紋理與實物是否相符、清晰。結果表明，貼圖效果與實體基本保持一致，貼圖效果較好。

4 結語

基于零接觸現(xiàn)代測量技術完成安徽理工大學“紅樓”的三維重建，得出以下結論。

①零接觸現(xiàn)代測量技術結合專業(yè)軟件，建模速度快、精度高，模型可以360°旋轉，得到任何角度的效果圖，真實感強。

②數(shù)字化的“紅樓”便于存檔，也可以做成虛擬漫游演示效果供校友欣賞，為“紅樓”的未來提供更多可能。