基于海量點云數據的大雁塔三維重建

藺小虎，姚頑強，馬潤霞，馬 飛，張昆巍

(1. 西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安 710054； 2. 國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心，陜西西安 710054；3. 北京則泰盛業科技發展有限公司，北京 100107)

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基于海量點云數據的大雁塔三維重建

藺小虎1，姚頑強1，馬潤霞2，馬 飛1，張昆巍3

(1. 西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安 710054； 2. 國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心，陜西西安 710054；3. 北京則泰盛業科技發展有限公司，北京 100107)

古建筑三維重建已成為歷史遺跡保護與修復的重要內容。為了探討三維激光掃描數據的獲取流程、數據處理方法，以三維激光掃描獲取的大雁塔海量點云數據為例，研究了古建筑三維重建中點云數據獲取與處理的詳細過程。聯合Cyclone、AutoCAD和3D-Max軟件的優點構建了大雁塔真實的橫面、剖面、立面模型，其中重點研究了海量點云數據在Cyclone軟件中分塊建模的方法。結果表明：將拼接好的大雁塔海量點云數據分塊建模，不僅加快了數據處理的速度，而且符合精度要求。在點云數據拼接時采用標靶拼接和同名點拼接相結合及測站間兩兩拼接之后再整體擬合平差的方法，減少了拼接中的誤差，使每站拼接誤差都不超過3cm。在建模過程中的墻體擬合是上萬個點云經過平差計算得到，精度高達2mm。最后在3D-Max軟件中組合、渲染和貼圖，真實地構建了大雁塔三維立體模型。為古建筑數字化存檔和后期的修繕工作提供了重要的依據。

大雁塔；三維重建；三維激光點云；海量數據；古建筑數字化

0 引 言

隨著經濟的發展，古建筑也越來越受到人們的關注和重視，同時，人們也認識到了采取一定的措施來維護和修復古建筑的緊迫性與必要性，如何更好地應用新技術在不損害文物的前提下獲取文物保存的現狀資料和讓人類瑰寶長期保存已成為全球性的課題[1-2]。大雁塔位于陜西省西安市大慈恩寺內。唐永徽三年，玄奘為保存由天竺帶回長安的經卷佛像主持修建了大雁塔。經過數次變更，最后固定為今天所看到的七層塔身，是現存最早、規模最大的唐代四方樓閣式磚塔，也是佛塔這種古印度佛寺的建筑形式隨佛教傳入中原地區，并融入華夏文化的典型物證，是凝聚了漢族勞動人民智慧結晶的標志性建筑。

三維激光掃描技術通過“面測量”的方式，精確高效地獲取地物的三維信息，拓寬了人們對測繪的理解，為建筑物三維建模提供了一種革命性的新途徑[3-5]。隨著數字地球和數字城市的提出，數字化文物檔案也日益被推上日程[6-8]。M Levoy等利用激光掃描儀的三角原理和高分辨率的彩色圖像重建了Michelangelo的主要雕塑品，開創了三維激光掃描技術用于古建筑和文物保護的先河[9]；EI-Halkim利用激光掃描儀和CCD相機實現了三維數據采集和配準系統，并創建了一個室內三維建模系統[10]。我國三維激光掃描技術起步較晚，但在一些領域也取得了很大的成就。1995年敦煌莫高窟“數字化虛擬洞窟”項目開啟了國內文物數字化保護的先河[11]；此后，王田磊等根據獲取的建筑物點云數據，探討了點云處理和建模的關鍵技術，并提出了建筑物三維模型快速重建方法[12]；李必軍等人利用車載激光掃描數據進行了建筑物特征提取研究，提出了一套基于建筑物幾何特征的信息挖掘方案，可以直接從激光掃描數據提取建筑物的輪廓信息[13]；范勁松等利用非接觸式光學三維掃描設備和HDR技術對陶瓷作品進行了三維掃描和形態整合，得到了完整的陶瓷作品數字化模型[14]；隨后的數字化故宮、樂山大佛項目、兵馬俑2號坑等眾多高精度考古項目的成功實施，將三維激光掃描技術在文物保護和數字化測繪中的應用推上了一個新臺階[15-18]。

本研究以徠卡ScanStation C10掃描儀獲取的大雁塔海量點云數據為例，探討了三維激光掃描數據的獲取流程、數據處理方法。聯合Cyclone、AutoCAD和3D-Max平臺各自的優點，對大雁塔進行了三維模型重建，并對不同平臺建模的精度和效果進行了對比分析。文章的新意在于采用三維激光掃描技術在不接觸、無損害的前提下，快速高效地構建了大雁塔真實的橫面、剖面、立面模型，為古建筑三維重建及后期的修復提供了重要的數據基礎，開創了大雁塔數字化存檔和科學化管理的新途徑。為古建筑漫游展示和數字化測繪提供了一定的參考，對加強古建筑保護及實現測繪成果的數字化存檔、科學化管理具有重要意義。

1 點云數據的獲取與處理

三維激光掃描測量一般需要經過數據獲取與數據處理兩個階段。流程圖如圖1所示。

圖1 數據獲取與處理流程

1.1 數據獲取

經過仔細踏勘與查閱相關資料：大雁塔由塔基、塔身、塔剎組成，塔的周圍有呈四方形的基座平臺，邊緣有護欄；塔身呈四方形，現通高為64.5m，塔基高4.2m，南北約48.7m，東西45.7m；塔基塔體呈方錐形，平面呈正方形，底邊長為25.5m，塔剎高4.9m，如圖2所示。

圖2 大雁塔外觀

根據掃描的目的與精度要求， 結合大雁塔周圍的環境， 考慮到徠卡ScanStationC10掃描儀獲取數據的功能， 擬采用全站儀導線方式對塔進行多站掃描。掃描路線布設成閉合導線， 導線點分布在塔的四周， 離塔的距離分遠、 近兩個檔次。近距離的導線點共8站， 離塔大約20m， 主要是獲取塔的中下部點云數據； 遠距離的導線點共4站， 離塔80m左右， 主要是獲取塔的頂部點云數據。掃描儀架設在導線點上， 閉合導線的布設情況如圖3所示， 圖中紅色的三角表示測站的位置。

圖3 閉合導線布設方案設計

1.2 數據處理

由于建筑物是由多站掃描得到，每站點云數據都是基于儀器內部獨立的坐標系統，為了得到完整的掃描對象，外業掃描得到的點云數據在導入軟件后，首先要進行數據拼接，即把多站掃描的點云數據轉化到同一坐標系中，形成一個整體。常用的拼接方法有：標靶拼接、同名點拼接、視圖拼接、標靶與同名點的混合拼接和已知控制點的拼接。在不出錯的情況下上述方法中基于標靶的拼接精度最高，主要是通過掃描標靶擬合成標靶球，然后取球心點坐標作為標靶點進行拼接。基于同名點的拼接精度受激光掃描點密度的影響，密度越大，精度越高。實驗采用高分辨率(點位精度：6mm@50m)進行掃描，選取同名點時，由于相鄰兩站掃描視角不同，難免存在誤差，所以盡量選擇相同區域的鄰近點，然后在Cyclone軟件中進行擬合拼接。前者拼接精度達2～3mm，后者拼接精度為3cm左右。通常選取3個以上的標靶點或同名點對點云數據進行拼接。為了減少誤差的傳播，選用兩兩測站進行拼接，然后再把拼接好的結果進行拼接[19]。本研究采用標靶和同名點的混合拼接，以其中的一次拼接為例，拼接誤差如表1所示，拼接前后的大雁塔點云數據如圖4所示。

表1 標靶與同名點拼接誤差

Table 1 Target and corresponding point splicing error (mm)

圖4 拼接前后的點云數據

掃描過程中受到各種因素的影響，難免會在研究對象中參雜一些噪聲點。噪聲點的存在不僅會影響數據量和建模的速度，還會影響建模的精度。因此，數據處理中必須把這些噪聲點去除。去噪后點云數據效果如圖5所示。

圖5 噪聲處理后的點云數據效果圖

若將去噪后的數據直接導出所占內存就會比較大，在建模軟件中運行速度很慢，甚至不能運行。所以，要對處理后的點云數據進行融合。依據導出數據量的大小，多次調整參數設置，選擇最合適的平均采樣間距進行數據融合。

融合后的點云數據量仍然比較大，整個拼接好的大雁塔點云工程大小為11.8GB，點云數據量達3.35億。若直接進行建模，Cyclone軟件容易崩潰，為了減少獨立處理部分的數據量，減少建模干擾，以便在建模軟件中能夠快速處理，將融合后的整體點云分割成塊，然后分別進行建模。分割數據之前要先對數據進行備份。根據大雁塔的結構共分割成8部分如圖6所示。

圖6 分割后的大雁塔點云模型

2 三維模型重建

聯合不同平臺各自的優點，先在Cyclone軟件中進行點云數據處理和分塊建模，然后在AutoCAD軟件中提取線劃模型，最后在3D-Max軟件中進行渲染和紋理映射。真實地再現大雁塔形態和外觀，為古建筑數字化存檔提供數據支撐。

2.1 Cyclone建模

在保證各塊完整性和相鄰塊重疊度的基礎上，對大雁塔進行分塊建模。相比于其他建模軟件，Cyclone軟件擁有一個三維模型組件庫，主要是利用分割技術，把建筑物分為不同的墻體，采用區域增長法進行面的擬合。建模是在Cyclone軟件的ModelSpace模塊下完成，主要有以下步驟：①建立坐標系；②定義參考面；③繪圖；④圖形轉面；⑤摳出門洞部分；⑥延長厚度。對于規則的幾何體，如塔身和管徑等，采用點云匹配算法進行自動擬合建模[20]，簡捷快速，具有一定的優勢；對于不規則的幾何體曲面，如塔檐和塔剎，則通過提取特征線生成特征面，然后擠壓或旋轉成不規則幾何體。圖7為分塊建模與合并后的大雁塔外部輪廓模型。

圖7 大雁塔分塊與合并后的三維立體模型

2.2 AutoCAD特征提取

通常是借助CloudWorx插件把點云數據導入AutoCAD軟件中通過點云切片來提取建筑物的邊界點、特征線等信息，然后畫出建筑物的輪廓特征。提取線劃模型時按照從底部到頂部的順序，依次對塔身、門洞、塔檐和塔剎進行特征提取，對稱模型可以使用鏡像功能，以提高線劃模型提取效率。該軟件下可以繪制橫面、剖面、立面圖，用于建筑施工，精度較高，但是工作量大，所建模型只是一些簡單的線劃圖，不能進行紋理映射。大雁塔的主視圖和俯視圖如圖8所示。

圖8 大雁塔主視圖與俯視圖

2.3 3D-Max渲染與紋理映射

點云數據也可在3D-Max軟件中建模，有兩種方法，一種是通過插件CloudWorx將點云數據導入3D-Max軟件中進行建模，與Cyclone軟件中建模相似；另一種是通過點云測量大雁塔不同部件的尺寸，然后通過一系列拉伸、擠壓、自由變形和布爾運算等，繪出大雁塔的塔身、塔剎和門洞模型，最后將各部件模型組合成一個整體。紋理映射可以提高模型的真實感，對生成真實感圖像具有重要意義，對優化后的模型做uvw展開和uvw貼圖處理[21]。為了防止紋理映射導致的模型變形，照片需要經PhotoShop進行正射影像處理后才能作為材質，在3D-Max軟件中進行渲染和紋理映射。紋理映射完成后的大雁塔三維立體模型如圖9所示。

圖9 大雁塔三維立體模型

通過多平臺聯合建模得出：Cyclone軟件在建立一些規則模型時，自動化程度較高，精度也能達到要求；AutoCAD軟件在建立高精度線劃模型時有很大的優勢，但是工作量較大；3D-Max軟件雖然建模精度不高，但是效率和工作量相對適中，模型渲染和紋理映射方面效果突出。因此，建模時可聯合不同平臺各自的優點，對于精度要求不高的三維漫游展示可以在Cyclone、3D-Max軟件中建模，然后在3D-Max軟件中渲染和紋理映射；而對精度要求較高的文物保護存檔，在上述建模之后，采用AutoCAD繪制線劃模型和設計方案。

3 結 論

本研究通過對三維激光掃描獲得的大雁塔海量點云數據進行三維重建，得出如下結論：

1) 聯合Cyclone和AutoCAD軟件各自的優點構建了大雁塔橫面、剖面、立面圖，并在3D-Max軟件中進行了渲染和貼圖，真實的構建了大雁塔三維立體模型。

2) 對比分析了不同建模軟件的優缺點，得出：掃描儀自帶的軟件Cyclone在建立一些規則墻體時有一定的優勢，但在建立不規則墻體時需要構建三角網來逼近，誤差較大； AutoCAD軟件便于提取建筑物邊界點、特征線、繪制橫縱斷面圖等，但是不能進行紋理的映射，而且工作量較大；3D-Max軟件操作比較復雜，但是所建模型尺寸精確，紋理映射后模型更逼真，可用于古建筑數字化存檔和三維漫游展示。

3) 對建模中存在的誤差進行了分析：為了減少建模中的誤差，在點云數據拼接時采用標靶拼接和同名點拼接相結合的方法，使每站拼接誤差都不超過3cm。為了減少誤差傳播，站間兩兩拼接之后再拼接。在建模過程中的墻體擬合是上萬個點云經過平差計算得到，精度高達2mm。

三維激光掃描技術在不接觸、無損害的前提下，快速高效的記錄古建筑的位置、幾何、顏色、紋理等信息，為古建筑三維重建提供了重要的數據基礎，對于實現不同區域文物資源的共享、傳播及保護具有重要的現實意義。

[1] 鄭書民,夏國芳,胡春梅,等.地面激光雷達技術在石窟寺立面精細測繪中的應用研究[J].激光雜志, 2016,37(1): 5-8. ZHENG Shu-min, XIA Guo-fang, HU Chun-mei,etal. Application research of terrestrial LiDAR technology in Grotto Temple elevation precise survey and mapping[J].Laser J,2016,37(1):5-8.

[2] 杜 侃.館藏文物保護中數字建模技術應用研究[J].文物保護與考古科學,2011,23(1): 62-66. DU Kan. Research on the application of digital modeling technology in the conversation of cultural relics in museums[J]. Sci Conserv Archaeol, 2011, 23(1): 62-66.

[3] 彭維吉,李孝雁,黃 颯.基于地面三維激光掃描技術的快速地形圖測繪[J].測繪通報,2013(3): 70-72. PENG Wei-ji, LI Xiao-yan, HUANG Sa. Rapid topographic mapping using terrain 3D laser scanning technique[J]. Bull Surv Map, 2013(3): 70-72.

[4] 樊 琦,姚頑強,陳 鵬.基于Cyclone的三維建模研究[J].測繪通報,2015(5):76-79. FAN Qi, YAO Wan-qiang, CHEN Peng. Research on 3D Modeling Based on Cyclone[J]. Bull Surv Map,2015(5):76-79.

[5] 張會霞,朱文博.三維激光掃描數據處理理論與應用[M].北京:電子工業出版社,2012：89-90. ZHANG Hui-xia, ZHU Wen-bo. Data processing theory and application of 3D laser scanning[M]. Beijing: Publishing House Of Electronics Industry, 2012：89-90.

[6] 李清泉,楊必勝,史文中,等.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M]. 武漢:武漢大學出版社,2003. LI Qing-quan, YANG Bi-sheng, SHI Wen-zhong,etal. Real time acquisition, modeling and visualization of three dimensional spatial data[M]. Wuhan: Wuhan university press,2003.

[7] 張啟福,孫現申.三維激光掃描儀測量方法與前景展望[J].北京測繪,2011(1):39-42. ZHANG Qi-fu, SUN Xian-shen. The method and prospect of Three dimensional laser scanner measurement[J]. Beijing Surv Map,2011(1):39-42.

[8] 李永強,劉會云,馮 梅,等.大型古建筑文物三維數字化保護研究[J].河南理工大學學報(自然科學版),2012,31(2):186-190. LI Yong-qiang, LIU Hui-yun, FENG Mei,etal. Research method on fine three-dimensional reconstruction of large antique building[J]. J Henan Polytech Univ (Nat Sci), 2012,31(2):186-190.

[9] Curless B, Levoy M. A volumetric method for building complex models from rangeimages[C]//Proceedings of SIGGRAPH,1996：303-312.

[10] EI-Hakim S. F., Brenner C., Roth G. A multi-sensor approach to creating accurate virtual environments[J]. J Photogramm Remote Sensing,1998,53:379-391.

[11] 盧小平,王玉鵬,盧 遙,等.齊云塔三維激光點云三維重建[J].測繪通報,2011(9)：11-14. LU Xiao-ping, WANG Yu-peng, LU Yao,etal. Qiyun pagoda 3D model reconstruction based on laser cloud data[J]. Bull Surv Map,2011(9)：11-14.

[12] 王田磊,袁進軍,王建鋒.三維激光掃描技術在建筑物三維建模可視化中的應用[J].測繪通報,2012(9):44-47. WANG Tian-lei, YUAN Jin-jun, WANG Jian-feng. The application of TLS technology in the 3D visualization modeling[J]. Bull Surv Map,2012(9):44-47.

[13] 李必軍,方志祥,任 娟.從三維激光掃描數據中進行建筑物特征提取的研究[J].武漢大學:信息科學版, 2003,28(1):65-70. LI Bi-jun, FANG Zhi-xiang, REN Juan. Extraction of building’s feature from laser scanning data[J]. Geomatics Inf Sci Wuhan Univ, 2003,28(1):65-70.

[14] 范勁松,安 軍.佛山石灣陶瓷藝術的數字化保護及利用研究[J].文物保護與考古科學,2016,28(3): 102-108. FAN Jin-song, AN Jun. Digital preservation and content utilization of Foshan Shiwan ceramic art[J]. Sci Conserv Archaeol,2016, 28(3): 102-108.

[15] 魏 薇,淺 偉.三維激光掃描在文物考古中應用評價[J].文物保護與考古科學,2013, 25(1): 96-107. WEI Wei, QIAN Wei. Review on the application of 3D laser scanning in conservation and archaeology[J]. Sci Conserv Archaeol, 2013, 25(1): 96-107.

[16] 黃慧敏,王宴民,胡春梅,等.地面激光雷達技術在故宮保和殿數字化測繪中的應用[J].北京建筑工程學院學報,2012,28(3):33-38. HUANG Hui-min, WANG Ye-min, HU Chun-mei,etal. Application of terrestrial Lidar technology in digital surveying and mapping of the hall of preserving harmony of forbidden city[J]. J Beijing Univ Civil Eng Archit,2012, 28(3):33-38.

[17] 王 婷.文物真三維數字建模技術在秦始皇兵馬俑博物館中的應用——以一號坑陶俑為例[J].文物保護與考古科學,2012,24(4): 103-107. WANG Ting. Application of 3D digital modeling technology to cultural relics in the museum of the Terra-Cotta Warriors Horses of Qin Shihuang—Case study on terra-cotta warriors in Pit No.1[J]. Sci Conserv Archaeol, 2012, 24(4): 103-107.

[18] 王 莫.三維激光掃描技術在故宮古建筑測繪中的應用研究[J].故宮博物院院刊,2011(6):156-163. WANG Mo. Research on application of three dimensional laser scanning technology in the surveying and mapping of the Imperial Palace ancient buildings[J].Palace Museum J, 2011(6):156-163.

[19] 盛業華,張 卡,張 凱,等.地面三維激光掃描點云多站數據無縫拼接[J].中國礦業大學學報,2010, 39(2):233-237. SHENG Ye-hua, ZHANG Ka, ZHANG Kai,etal. Seamless Multi Station Merging of Terrestrial Laser Scanned 3D Point Clouds[J]. J China Univ Mining Technol, 2010, 39(2):233-237.

[20] 謝宏全,谷風云,李 勇,等.基于激光點云數據的三維建模應用實踐[M].武漢大學出版社,2014:17-26. XIE Hong-quan, GU Feng-yun, LI Yong,etal. Application of 3D modeling based on laser point cloud data[M].Wuhan: Wuhan University Press, 2014:17-26.

[21] 何 勇.大型高浮雕石質文物的數字化探索——以云岡石窟為例[J].中國文化遺產,2016(2):30-33. HE Yong. Digital exploration of large high relief stone relics—Case study on Yungang Grottoes[J]. China Cult Herit, 2016(2):30-33.

(責任編輯 潘小倫)

Three dimensional reconstruction of the Great Wild Goose Pagoda based on massive point cloud data

LIN Xiao-hu1, YAO Wan-qiang1, MA Run-xia2, MA Fei1, ZHANG Kun-wei3

(1.CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.NationalSurveyServiceGeodeticSurveyDataProcessingCenter,Xi’an710054,China; 3.BeijingZetaishengyeIndustryScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Beijing100107,China)

3D reconstruction of ancient buildings has become an important aspect of the protection and restoration of historic sites. Three-dimensional laser scanning data of the Great Wild Goose Pagoda was taken as an example in order to study in detail the process of obtaining and processing point cloud data for the 3D reconstruction of ancient buildings. The advantages of Cyclone, AutoCAD and 3D-Max software to build a real horizontal, profile and vertical section model of the Great Wild Goose Pagoda were combined. The method of block modeling of massive point cloud data in Cyclone was briefly studied. This study showed that block modeling of spliced mass point cloud data for the Great Wild Goose Pagoda not only accelerated the speed of data processing, but also met accuracy requirements. The methods of target splicing and corresponding point joining together and the method of each stand splicing between the stations were combined, and then whole fitting adjustment to reduce the error was made. In the end, each station splicing error is no more than 3cm. In the process of modeling, the wall fitting is calculated, after adjustment of thousands of points, bringing the precision to 2mm.Finally, rendered and textured the model in the 3D-Max software was combined, and a 3D model of the Great Wild Goose Pagoda was constructed. This work provides an important reference for the repair and digital archiving of the ancient architecture.

Great Wild Goose Pagoda; 3D reconstruction; 3D laser scanning point cloud; Massive data; Digital ancient architecture

2016-06-17；

2016-11-20 作者簡介：藺小虎(1989—)，男，2017年畢業于西安科技大學地圖學與地理信息系統專業，碩士，主要從事三維GIS與三維激光掃描數據處理及應用方面的研究，E-mail: lxh201410523@163.com

1005-1538(2017)03-0067-06

K878

A