基于三維激光掃描技術的古建筑測繪與建模探討

白冰

（遼寧省地理空間成果應用中心，遼寧沈陽 110034）

中國有悠久歷史，祖輩留下的古建筑都是寶貴的文明結晶，是中華文化的傳承。但任何建筑都是有壽命，天氣和其它不可抗力因素也會加大建筑物的破壞，隨著時間的推移，再堅固的建筑也會消亡。隨著科學技術的發展，測繪手段迎來了三維激光掃描的技術革命，在城市建筑測量，地形測繪、變形監測、基礎設施建設、水利工程、電力設施等方面都得到了很好應用，其高效、精準、快速、實時、高密度等特點，使它成為目前測繪古建筑最好的手段。

測繪行業傳統的古建筑測繪手段主要通過全站儀、水準儀、RTK等儀器單點測量采集，效率低，數據采集不全面。三維激光掃描是一種非接觸式測量手段，整合了激光技術和測量技術，可以快速高效采集目標物體的三維空間數據和材質紋理等信息。

一、基本原理和特點

1.三維激光掃描技術原理

三維激光掃描的原理是激光測距，發射器發射出一個激光信號，通過被測物體表面的漫反射所反彈，沿著與原發射路徑幾乎相同的軌跡，回到三維激光掃描儀的接收器之中，儀器內部軟件對其進行計算和分析，記錄被測目標表面點的空間三維信息、反射率信息和紋理信息等。

2.三維激光掃描技術優勢

三維激光掃描技術與傳統測繪手段相比擁有十分突出的優勢：一是精確度高，傳統的測量手段精度完全依靠點位之間的坐標構建，點位精度取決于點位的設置，而三維激光掃描其精度遠遠高于傳統測量技術，精度分布也十分的均勻；二是非接觸測量，無需棱鏡就可以對被測目標進行數據的采集，使測量人員的操作空間更大；三是受外界條件影響較小，三維激光掃描是通過激光測距來獲取數據，無論是白天黑夜，光照條件優劣都能可靠的采集數據；四是采集數據帶有被測物體的光學特征，可以獲取目標物體的色彩紋理信息。

二、技術流程和內容

1.技術流程

首先進行現場勘探，布設測量控制網，再使用三維激光掃描儀采集數據，得到原始點云數據后在Recap軟件中進行數據處理，最后在Revit軟件中進行古建筑建模。

2.數據采集

數據采集的流程為：現場勘探—控制網布設—測站點布設—建筑物掃描。現場勘探的目的是摸清建筑物及四周的地形環境，便于設置測站點和測站數。使用三維激光掃描儀對目標進行全方位掃描，采用自由設站的方式，保證覆蓋建筑物的同時盡量減少測站數，降低配準次數和誤差。在測量的時候，要求相鄰測站之間有一定的重疊區域，測站點的布設會用到標靶，這是因為建筑物的結構比較復雜需要多次掃描，各測站點的數據要整合為一體，這就需要同名特征點來幫助匹配，標靶的作用就是代替同名特征點。在標靶的布設時，要確定兩個相鄰的測站之間有三個及以上的公共標靶，但是標靶不能在同一條直線上，標靶和測站點之間也要確保通視。建筑物掃描時，儀器的架設要略高一些，可以提高掃描的精準度和減少冗余數據量。對于建筑物不同的部分，掃描的精度距離要因地制宜，確保達到理想的掃描結果（圖1）。

圖1 原始點云圖

3.數據處理

（1）點云拼接

點云數據拼接的目的是為了將各測站的數據整合到一起，即同名坐標點位映射。各測站點的點云坐標系都是獨立坐標系，先將不同測站的點云統一到同一坐標系里面，然后進行點云拼接，拼接操作的本質是誤差函數的運用，用來體現各點云重合區域之間的吻合水平與程度。使用最小二乘法進行迭代運算，盡可能的減小誤差，實現各點云數據間的合理拼接。在統一坐標系的配準過程前，需要解算出點位坐標的7個變換參數（3個旋轉參數，3個平移參數，1個尺度參數）。在解算參數的基礎之上，采用七參數法進行配準，還可使用其他方法配準，如ICP迭代最近點算法和四元素配準算法。

（2）點云去噪濾波

測量會出現誤差，會影響點云質量，產生點云中的噪點。噪點產生的原因分三種：一是環境因素，刮風下雨或落塵揚灰等都會讓掃描采集時記錄下不需要的數據，要減少這種數據，需在掃描前設置好參數，保證有合適的閥值避免誤差；二是儀器本身和操作人員操作能力的問題；三是被測物體本身，不同的材料、顏色和紋理對激光的反射率不同，都能造成誤差，這種誤差的消減需在測量時盡可能保持合適的掃描距離。

點云數據里的噪點會對后續的建模等工作帶來影響，需要對其進行平滑式處理。點云濾波處理噪點的方法主要有中值濾波法，平均值濾波法和高斯濾波法。本文采用中值濾波法來進行濾波去噪，中值濾波法是在一個指定的區域內用3個相鄰的點位數據的平均值替換原目標點的值，主要能清除點云數據中的毛刺，突起等。

（3）點云切割

三維激光掃描采集的點云數據大量且密集，運行數據較吃力。為了更好處理點云數據，需對原始數據進行切割，將不需要的大部分點云剔除。點云數據的切割方法有很多，本文采用基于混合區域的點云數據切割方法，具體步驟是先經過二次曲面技術擬合測量的點云數據，再加上曲面高斯曲率與平均曲率結合，就可以對原始的區域開始進行分割，初始邊界的提取采用基于邊的方法，最后可實現點云數據的良好分割（圖2）。

圖2 點云數據切割

（4）點云簡化

點云的簡化是為了盡可能的減少建模過程中不需要的點，簡化必須保障后續的操作效率與建成模型的精度，這是點云簡化的重點。簡化前要根據實際需求先設好誤差上限值，使輸出成果更符合需求。對于點云的簡化，根據點云中數據點彼此之間的空間位置關系，來設計其空間拓撲關系（網格），解算出每個空間點的數據信息，根據這些信息的大小來優化設計點云數據。

4.古建筑三維建模

（1）建模基礎準備

在Revit軟件中打開點云文件后，首先需要建立軸網標高和視圖范圍，軸網是在平面中確定模型的范圍，標高則控制模型高度，沒有軸網和標高，模型構建時則無法精確控制其位置。標高可以根據個人的需求來設定，這里是設置到每層樓板的底部。標高可以根據建筑不同部分設置多個。打開標高視圖，點云數據不是正南正北方向，因為在拼接的過程中沒有指定正方向，所以點云數據出現偏移。找到要建模的建筑，沿著建筑外邊做一條輔助線，在這條輔助線的一端做一條正方向的輔助線，重置建筑的旋轉中心，將旋轉中心放置到兩條輔助線的交點處，將點云數據旋轉至正南正北方向。

（2）古建筑各部分的構建

古建筑各部分的構建需根據實際情況確定，主要包括墻體、門窗、屋頂和其它部分（圖3）。墻體的建立是結合導入的點云數據描圖，根據三維視野中點云厚度確定墻體的后度。門窗的建立首先在立面圖中先做輔助線，輔助線來確定門窗的位置和尺寸，并移動使其位置對齊。屋頂的創建方法是結合點云圖像選擇屋頂所在標高，框選出范圍并設置角度，使用跡線繪出屋頂，在立面圖中調整位置，屋頂裝飾物使用內建模型來構建。其它部分構建是沿著圖像使用樣條曲線進行捕捉，盡量與點云數據做到貼合，線條繪制完成后在三維視圖中確定模型厚度與位置，場景中其他小構建可通過建族來完成，建立多種族后載入項目擺放到指定位置即可。

圖3 建模成果渲染圖

三、結束語

三維激光掃描技術在當今社會有著極為廣泛的發展前景，亦是各行業應用和研究的熱點。本文以三維激光掃描的應用實例為基礎，基于三維激光掃描技術在古建筑的測繪與建模方面進行了探討，包括了數據的采集、處理和建模，結果表明三維激光掃描在空間三維信息的獲取有著巨大的優勢，與傳統測量方法手段進行互補，可以提高測繪工作效率，獲得更佳的測繪產品。