論三維點云數據與古典園林池山部分的表達★

喻夢哲 林 溪

(西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055)

?

·園林·綠化·

論三維點云數據與古典園林池山部分的表達★

喻夢哲 林 溪

(西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安 710055)

以蘇州環秀山莊與耦園為例，針對古典園林中池、山等部分的外觀輪廓難以精確測量和清晰表達的問題作了研究，探討了三維激光掃描與近景攝影測量等技術在此類工作中的應用，以供參考。

池山輪廓，非歐幾何體，三維激光掃描，近景攝影測量

0 引言

我國古典園林的構成要素眾多，而尤以池、山為核心骨架，園林整體的風貌也正是藉由其格局和品味奠定。

由于山石擺放、池岸走勢皆需順應自然，故其輪廓向無規律可循；而山石層次的復雜多變，又為量得數據后的圖面表達帶來更多困難。

自2011年起，西安建筑科技大學針對諸多蘇州古典園林，使用三維激光掃描和近景攝影測量技術對其中幾座代表性的假山、池沼部分進行了信息采集，以作輔助制圖之用。

1 傳統測量手段評述

傳統測量儀器包括經緯儀、水準儀及手工皮、卷尺等，具體操作分平面、立面兩個環節完成，先行量得各建筑物臺基部分角點作為定位依據，再自臺基邊緣以直角坐標法或兩點法向外引出池、山部分各標高上的控制性拐點，獲得其分層輪廓，繼而由測得多個特征點令各石塊的邊緣閉合。在此基礎上利用經緯儀量點并代入公式計算，得到石塊水平與豎直方向的拐點數據，連接后即得到立面輪廓。

這樣的技術手段，雖然有成本低廉、輕便易攜、流程單一等優點，但耗費人工，測得數據有限且精度不足，因此有必要嘗試新的信息采集技術，比較與反思新、舊測繪手段在記錄與表達池、山要素時的優劣差別。

2 三維激光掃描技術在園林測繪中的使用

三維激光掃描儀采用激光測距的工作原理，連續、自動采集海量數據，可以快速、準確、無接觸地完成復雜表面的測量工作，而被測對象表面掃描點的集合則稱為“點云”。

在環秀山莊北側池、山部分的測繪中，我們利用徠卡C10掃描儀，前后共架設11個分站，圍繞假山形成閉合導線。

經總結，三維激光掃描技術應用于園林假山時主要存在以下問題：其一是盲區眾多，因山石縱橫堆疊，相互遮擋，形成大量孔隙，加之山徑狹窄，難以架站，導致缺失信息較多，模型完整度不高。其二是難以降噪，因園林池、山之上，大量植物與測量對象混雜，無法剝離。其三是難以建模，三角網封裝無法適用于遮擋嚴重的山石，導致難以將點云總合成具有閉合表面的模型。即或如此，一個較為粗糙的全息點云模型對于園林測繪及園林史教學還是不無裨益的。通過整理兩套技術路線分別針對同一對象的測繪成果，我們總結了一些結合兩者之長以校正、完善最終圖面成果的方法，詳述如下。

3 點云在測繪圖校正過程中的應用方法

3.1 點云切片操作與山石層次的精確表達

石砌假山本質上是由各標高上各自閉合的成組石塊上下堆疊而成，而又以山徑、澗谷、飛橋、石洞等要素打斷水平組塊、聯通豎向體塊，使之相互穿插交織而成。因此，測量和繪制假山平、立面時，分清層次最為重要。在點云中，可以人為選擇切片位置和厚度，使其僅呈現該位置的物象輪廓并分層描圖、疊加以獲得精確的立面邊緣。這相當于在信息采集階段以機器自動讀數代替人工測點，在計算機輔助制圖階段以描摹光柵圖像代替算點繪圖，從而將復雜勞動轉化為簡單勞動，大幅提升工作效率。

3.2 攝影測量與池岸輪廓的直觀呈現

在耦園黃石假山及池岸的測量工作中，我們綜合利用了多種攝影測量的手段，首先在池、山控制點上粘貼紙標靶，利用全站儀打點形成控制性空間網格；其次沿山體邊緣環繞拍攝；最后利用大疆精靈3型四旋翼無人機進行了航拍；最后利用PhotoScan軟件處理攝得照片。在此基礎上，我們以正射俯瞰視角調整模型并截圖，導入CAD文件后勾勒池、山整體輪廓與較大石塊的邊緣及分體線，得到了較手工測量更為準確的平面圖形。

3.3 數碼相片提取與色彩渲染的真實表現

由于攝影測量所需照片量巨大，且其最終模型直接來自大量總和后的相片，其體現出的色彩與材質十分接近于現實中的平均情況，因此可作為圖紙后期著色的重要信息來源。即直接將模型圖片導入Photoshop等軟件，吸取相應位置顏色后對白線圖進行渲染。

3.4 點云密度估測與樹形樹冠的初步記錄

使用三維激光掃描同樣可以記錄樹木的相關信息，雖然無法像建筑、山體、道路等硬質部分一樣精確計量，但較之以往的目測，還是更為可靠。除了枝干形態、紋理等直觀信息外，尚可利用點云對樹冠體積等較為虛化的空間關系進行推算。按照所謂的“體元模擬法”，可以用固定大小的體元模擬不規則的樹冠形狀，即首先將樹冠沿高度方向以k為單位分段，將每一段內的三維測點投射到底平面上，繼而將底平面劃分為k×k的像元，根據投射到各個像元內的點的數量，以某一密度為限判定其有效性。統計有效像元數量T，則樹冠體積為T個k3之和。經試驗，當k等于冠徑1/10時，計算值達到穩定。該算法可以忽略樹冠形狀導致的主觀估算失誤，直接根據三維掃描獲取的點云數據科學計算樹冠體積。如此一來，三維掃描工作中的副產品——樹木點云，便可以作為植被生長情況的定量依據被記錄，從而不斷充實整體信息庫的內涵。

4 結語

相較于傳統測量方式，三維激光掃描和近景攝影測量技術除了無接觸無損傷、快速、準確、全面之外，還具有連續性的優勢，表現為對對象不規則缺陷和變形的測控，包括構件傾斜、鼓脹、凹陷、損壞等，因而特別適合于較復雜的非歐幾何體塊。這種特性與中國古典園林中以自然石材為主體構建的池岸、假山等部分恰相契合，極大地彌補了傳統測繪手段在面對這部分內容時的技術短板，無論從古典園林信息記錄的角度，還是新興量測技術適用對象的擴展方面來看，都是非常重要的學科交叉增長點，因而有必要圍繞這一課題展開更多的實驗與探討，從而使新的技術更好地服務于遺產保護與人才培養。

[1] 田 佳，黃先鋒，郭 波，等.大型景觀測繪中激光掃描的精度控制[J].測繪標準化，2012(2)：35-37.

[2] 趙國強.基于三維激光掃描與近景攝影測量數據的三維重建精度對比研究[D].焦作：河南理工大學，2012.

[3] 王 研，張曉林，李曉飛，等.影像密集匹配技術輔助三維激光掃描儀對點云的提取[J].測繪技術裝備，2014(4)：81-83.

[4] 鄭建冬.基于單數碼相機的三維攝影測量理論與關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[5] 李天子，鄒友峰，劉昌華.回轉多基線數字近景攝影測量文物建模研究[J].河南理工大學學報，2013(4)：441-444.

[6] 韋雪花，王永國，鄭 軍，等.基于三維激光掃描點云的樹冠體積計算方法[J].農業機械學報，2013(7)：235-240.

On the drawing expression of rockery and pond in a classical Chinese garden and point cloud of 3D laser technique★

Yu Mengzhe Lin Xi

(CollegeofArchitecture,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China)

As the main part of a classical Chinese garden, the rockery and pond’s profile could hardly been accurately measured and clearly expressed. Thus it takes the rockery of Huanxiu Villa and Couples retreat Garden as example, discuss the new measuring methods such as 3D laser scanning and close-range photogrammetry’s application prospect in the future surveying works all around the classical gardens, for reference.

the profile of rockery and pond, non euclidean geometry, 3D laser scanning, close-range photogrammetry

1009-6825(2016)30-0197-02

2016-08-16 ★:陜西省教育廳專項課題成果(課題編號：14Jk1430)；陜西省教育廳專項科研計劃“三維激光掃描技術在中國古典園林信息采集中的應用研究”成果(項目編號：6040500928)

喻夢哲(1984- )，男，講師； 林 溪(1984- )，男，在讀博士

TU986

A