基于三維激光掃描技術(shù)在古跡保護中的應(yīng)用

李濤會 侯寬信 陳煒

摘?要：本文以項目實踐出發(fā)對比分析了傳統(tǒng)RTK技術(shù)和三維掃描技術(shù)在古跡保護中優(yōu)劣體現(xiàn)，通過三維掃描技術(shù)實現(xiàn)三維建模以及提取點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件繪制古石冢石墻二維線劃圖，對三維激光掃描技術(shù)在古構(gòu)筑物現(xiàn)場測繪所，數(shù)據(jù)采集、拼接、去噪、導(dǎo)入成圖各環(huán)節(jié)實施方法，以研究三維激光掃描技術(shù)在古跡保護中的特殊作用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);云數(shù)據(jù);RTK技術(shù);三維建模;數(shù)據(jù)分析

一、三維激光掃描技術(shù)概述

（一）工作原理

三維激光掃描技術(shù)是GPS之后地圖繪制技術(shù)的又一次革命。它通過高速激光掃描原理快速獲取被測物體的大量高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？焖賹Ρ粶y目標(biāo)三維建模及繪制平、立、剖等各種圖紙所需數(shù)據(jù)。通過傳統(tǒng)測量測得的數(shù)據(jù)的最終輸出是二維結(jié)果，與傳統(tǒng)測量不同的是由3D激光掃描儀測量的數(shù)據(jù)不僅包含平面位置（X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)）和高程（Z坐標(biāo)）的信息也同步R，G，B顏色信息，并且還反映對象的反射率信息。換言之，三位掃描所掃描點云數(shù)據(jù)給我們的感官感受就是目標(biāo)體的含帶海量特征點坐標(biāo)的實景照片。這種全面的信息給人的印象是物體實際上是在計算機中再現(xiàn)的，這是傳統(tǒng)測量所無法企及的。

（二）三維激光掃描技術(shù)在古跡保護中的優(yōu)點

（1）三維激光掃描儀可以真實記錄考古發(fā)掘現(xiàn)場，既有實景效果又有精密三維坐標(biāo)定位。（2）非接觸式三維激光掃描技術(shù)對觀測目標(biāo)無需直接接觸，避免了對古跡文物造成二次傷害。（3）建立的三維模型可以保存為真實文物的副本，對文物的保護，修復(fù)和研究具有重要意義。

（4）還可以對被破壞的文物進行“數(shù)字修復(fù)”，以便人們可以在被計算機摧毀之前“看到”這些雕像的外觀。3D數(shù)字模型還可用于虛擬演示和互聯(lián)網(wǎng)的漫游

二、本項目采用三維激光掃描技術(shù)和RTK數(shù)據(jù)對比分析

本項目測繪了闔閭古城龍山石墻，長度達2公里。鑒于石墻綿延分布于山頂叢林中，筑于古冢之上，年代久遠，常規(guī)RTK測繪一是接收信號受到樹木干擾;二是古跡年代久遠安置設(shè)備于古墻上易造成二次受損;三是古墻蜿蜒分布不規(guī)則測點太多，成圖難以恢復(fù)古跡原貌，而三維激光掃描技術(shù)的“非接觸式”、“點云”特點符合本項目要求，鑒于甲方對精度方面有所顧慮，我們采用RTK采集的坐標(biāo)點與三維激光掃描得到同名點進行精度驗證和對比。

（1）所用儀器設(shè)備：本項目采用Trimble-R8 GNSS、中海達V8、三維激光掃描儀Focus3 D120，處理軟件FARO Scene4.8×32/×64后掃描數(shù)據(jù)處理，如過濾，拼接，去噪，掃描成色，擬合，表面分析等。從數(shù)據(jù)到顏色，整個點云完全自動化，操作簡單，內(nèi)業(yè)處理擺脫了傳統(tǒng)的手工連線勾畫。

（2）實施步驟：

（3）掃描注意事項：①踏勘時，要分析地形特征，清理雜草，灌木，石塊等雜物。確保掃描視野內(nèi)的能見度條件，合理設(shè)置掃描位置，避免出現(xiàn)掃描盲點。確保重要的地形不會出現(xiàn)在盲點中。②掃描不同部分適用不同分辨率。例如，具有平坦表面的墻壁或石頭可以以小分辨率（通常2cm）使用。然而，對于具有小尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，使用相對密集的點云表示（mm級）。有時甚至需要使用最大掃描密度進行掃描（例如，在浮雕，柱子等上）。③控制點布設(shè)相鄰之間要相互通視，站點保證沿石墻兩側(cè)不超過20m。④標(biāo)靶利用平面和球形兩種反射標(biāo)靶，盡可能正面掃描標(biāo)靶，以獲取高精度數(shù)據(jù)。

（4）控制測量：本研究平面控制測量采用C級GPS平面控制網(wǎng)精度布設(shè)，聯(lián)測無錫市城市控制點，高程控制采用GPS擬合高程。沿石冢石墻兩側(cè)5-20米分布，共布設(shè)49個控制點，每個控制點精度要求為：①平面位置中誤差不得大于5cm;②高程中誤差不得大于5cm。

（5）施測方法：選取12個分布于石墻不同位置特征點，分別架設(shè)三維激光掃描儀于基準(zhǔn)點掃描獲取特征點相對應(yīng)的標(biāo)靶球點云數(shù)據(jù)、通過擬合球體方式提取出點云中標(biāo)靶球的球心坐標(biāo)，如圖2、圖3所示：

然后將GPS采集到的坐標(biāo)與點云中對應(yīng)點坐標(biāo)進行比對，得到精度對比結(jié)果如下表所示：

從對比結(jié)果可以看出除了第10號點偏差略超過5厘米外，其余坐標(biāo)偏差均小于5厘米，參考相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范此成果完全可以滿足本項目的精度要求。作為古跡數(shù)據(jù)采集的第一現(xiàn)場，所采集的數(shù)據(jù)資料信息是作為古跡修復(fù)保護的首要來源，三維激光掃描技術(shù)這種有別于傳統(tǒng)單點定位技術(shù)，點線測繪，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的文保測繪方式，對古跡展示，修復(fù)，存檔，互聯(lián)網(wǎng)傳遞起著越來越重要的地位。

三、成果提交及應(yīng)用

本項目龍山石冢石墻點云數(shù)據(jù)通過3D激光掃描收集。

可作為闔閭古城考古研究原始資料進行存檔，同時，點云作為掃描對象的全數(shù)字實時模型可以實現(xiàn)對石冢石墻的真實測量。在考古發(fā)掘的不同階段，掃描挖掘現(xiàn)場可以實現(xiàn)考古發(fā)掘的動態(tài)管理和考古過程的數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域，可以通過高精度地面控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對古跡遺產(chǎn)的連續(xù)掃描監(jiān)測。

對三維激光掃描所得點云，利用處理軟件FARO Scene進行拼接、去噪，實現(xiàn)三維建模，對于局部古墻體的繪制，在點云上直接標(biāo)測圖紙所需的長度，寬度和高度數(shù)據(jù)，然后通過繪圖工具繪制平面圖和立面圖;對于古墻體和石冢剖面圖，根據(jù)掃描正射點云提取“切片”，將點云切片導(dǎo)入圖形繪制軟件（如AUTO-CAD或BIMRevit軟件），以形成用于保護，修復(fù)和存檔的二維線劃剖面圖。由于龍山石冢石墻蜿蜒分布于山頂呈狹長不規(guī)則帶狀，每站掃描受視距局限以及精度保證，每站掃描縱長不能超過30m，而且石墻年久失修，風(fēng)化破損嚴(yán)重，鑒于此，掃描兩站視距交接地帶應(yīng)增大分辨率，內(nèi)業(yè)拼接時反復(fù)校對調(diào)整以滿足精度要求。

四、結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)具有許多傳統(tǒng)測量方法所沒有的優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)模式，“外業(yè)”、“內(nèi)業(yè)”界限不再那么明顯，三維掃描內(nèi)置處理軟件，在外業(yè)現(xiàn)場就可以通過軟件進行點云拼接、降噪、三維建模;實現(xiàn)批量采集，重點掃描。

“非接觸式”工作方式避免了對古跡的二次損害，有利于古跡的保護，點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入繪圖軟件三維建模，以及繪制所需的平、立、剖二維線劃圖，可在不同階段的掃描中及時更新，不論是三維建模還是二維線劃圖，作為古跡保護、修復(fù)、挖掘、異地復(fù)建或者是展覽、演示都起著非常重要的作用。

參考文獻：

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