三維激光掃描和SU技術在古建筑測繪中的應用

張晨頤 王濤 楊左翠 楊曉軍

摘要：三維激光掃描技術是一種全新的古建筑測繪手段，本文以玉溪市老城區改造為契機，通過地面三維激光掃描儀采集文星閣點云數據，可對古建筑進行精密測繪，利用SU軟件創建文星閣三維實景模型，繪制二維平面圖、立面圖等，滿足古建筑數字化存檔需求。

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.

關鍵詞：三維激光掃描;SU;點云數據;三維建模

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

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0241-03

0? 引言

古建筑本身結構復雜多樣，如古建筑中的銘文、雕刻、文字、彩繪等，傳統的測繪方法無法獲取詳細的數據，同時傳統測繪在測量的過程中避免不了要接觸到古建筑，這就有可能對古建筑造成二次的破壞[1]。除此之外，傳統測繪人員需求量大、測繪工作量大、數據繁雜、單點測量的方式難以體現出建筑物的整體性。三維激光掃描技術采用的是非接觸的測量方式，具有快速、精確、全方位、不但能夠彌補細部數據獲取難度大的缺點，還可以實現三維建模，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? 地面三維激光點云數據采集

1.1 點云數據采集

本文采用的是STONEX X500Plus三維激光掃描儀，根據測站需要設置靶紙，測站間至少滿足3個公共靶紙，可保證將每個測站的點云數據配準到統一坐標系中。本次掃描分八個測站，分別布設在建筑物的四個對角，每個正面各一個測站，每個測站的掃描角度范圍大致為40°-60°，測站與建筑物間距5m，相鄰測站間保持30%的掃描重疊度，具體測站布置如圖1所示[5]。

1.2 點云拼接

將掃描的8個測站的點云數據導入到儀器自帶點云處理軟件中，通過相鄰測站間的公共靶紙及特征點對相鄰測站的點云進行拼接[6]。整體點云拼接效果圖如圖2所示。

本文研究以WXG1為基準站，作為全局參考，拼接對的拼接質量如表1所示。

1.3 點云去燥

利用點云數據處理軟件的去燥功能，刪除多余的點云，如飄移點、孤立點、冗余點等[7]。去燥后的古建筑外部點云如圖3所示。

2? 古建筑特征線的提取

利用Autodesk Recap將預處理好的點云轉換為RCS格式文件，利用AutoCAD點云插入工具將點云導入CAD中。在CAD中通過在不同的視角、不同的高度進行剖切，得到古建筑物的各個構件（如：墻體、門窗、臺基、主體等）的平面位置。在繪制平面圖與立面圖時，根據不同的局部要求，對點云數據缺失的局部位置進行單獨剖切，進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

傳統的古建筑中屋頂的形態是最特別的，屋頂的形態有出檐、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繪制的二維線劃圖導入之后，制作三維模型。在分析古建筑的結構和特點的基礎上，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行建模，部分構件進行單獨建模，如：門窗，室外臺階，屋頂等，最后將其拼接到建筑物上。部分建模完成后的構件如圖6所示[10]。

本文對古建筑的各個構件進行單獨建模，并創建組件，對組件進行命名。那些不規則的局部構件，通過單獨提取出相應的點云，在Geomagic Studio軟件中再進行不規則三角網建模，形成模型后將其導入到SU中，確定古建筑各個構件的具體位置，以AutoCAD二維平面圖為構件組合的參考點與參考線，將各組件組合成一個獨立、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感，貼合實際，表現出各個細節、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狀。 在古建筑三維模型幾何框架下，其三維模型的紋理數據主要來源于數碼相機拍攝的建筑物照片，本文通過數碼相機采集古建筑的各個方位高清照片，在SU中進行古建筑紋理貼圖，如圖8所示。