三維掃描技術在國圖古籍館測繪中的應用

李 龍 龐 蕾 張崇輝 李寶璇 李聰華 劉大源 孫金金

(北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 100044)

0 前言

古建筑作為歷史遺存,是祖先為我們留下來的寶貴財富,保護好這些財富,是我們這一代人的職責和義務。為了實現古建筑現狀的保護性修繕,數字化工作必不可少。古建筑的測繪工作主要包括測量、采集、處理古建筑相關幾何處理等,測繪古建筑的目的在于為古建筑保留最為原始的資料檔案,因此進行這項工作需要較高的測繪技術,確保最終所得的測繪數據的精確性,使得最終的測繪成果具有實際應用意義[1],在后期進行古建筑修繕和保護過程中可以發揮更好的作用。三維激光掃描技術具有高精度、非接觸特點,可以獲得建筑物高密度三維點云,是目前古建筑修繕測繪中重要的技術手段,可以實現古建筑現狀的三維可視化,建立精確詳細的數字化檔案。

1 古籍館簡介

國家圖書館古籍館前身是清學部奏請籌建的京師圖書館,距今已有百年歷史[2],館藏古籍珍本豐富,建筑內部結構復雜。為了更好地修繕和保護古籍館,避免館內的古籍遭受不必要的損害,應當對圖書館的內外結構進行一個全方位的測繪,以便對整個建筑做一個全面的檢測,為古建筑建立起與自身信息相符的完善檔案,使得建筑修繕能夠更加接近原來的風貌,更好地發揮古建筑的歷史和社會價值[3]。

2 三維激光掃描技術在古籍館測繪中的應用

2.1 三維激光掃描技術

古建筑測繪需要對其大小,空間位置和形狀進行具體的測繪,采用測繪常規人工作業方法精度低,并且消耗大量人力物力財力,測量人員還需要不斷地接觸古建筑,對于古建筑本身而言具有一定的危險性且容易遭到損害[4]。

三維激光掃描技術的出現為獲取空間三維信息提供了全新的技術手段,它克服了傳統測量技術的局限性,采取了非接觸、主動測量方式的測量方法。三維激光掃描技術還具備以下特點：數據采樣率高,高分辨率高精度,實時性動態性,全數字采集,自動化程度高等優點[5]。因此,三維激光掃描技術改變了傳統的作業方式,將大量的外業人工作業轉變成了對建筑物點云進行自動化、高精度和非接觸式的采集,并且單個點云的精度達到毫米級,避免了傳統測繪方式的缺點,有利于保護古建筑不受損害。

2.2 技術流程

在古建筑物測繪中,地面三維激光掃描系統的總體工作流程(圖1)包括技術準備與技術設計、控制測量、數據采集、數據預處理、質量控制和成果制作[6]。

圖1 技術流程圖

主要包括四個步驟：

(1)針對古籍館的特點與精度要求,計劃最佳作業路線與掃描儀的設站地點,確定相應儀器的參數(分辨率、掃描質量、掃描角度等)。

(2) 通過掃描獲取原始點云數據,即點云數據的采集以及古籍館內部外部結構信息的采集。單測站三維掃描,主要考慮掃描環境、范圍、視角、掃描時間等因素,通過參數設置,進行三維激光掃描。當單站相關的采集數據工作完成無誤之后,將儀器搬到下一測站,重復單站掃描工作。在新站掃描數據時需注意與前一個測站相同的工程文件名稱、分辨率等特殊指標參數一致等。

(3)對三維激光點云數據處理時,不同的應用對象、不同點云數據的特性,點云數據處理的過程和方法也不盡相同,本項目三維點云的內業處理過程主要包括點云數據配準、點云數據濾波、數據縮減與數據分割、線畫圖制作等。

(4)點云模型構建以及成果輸出(三維立體模型、二維數字線條圖等)。

3 古籍館測繪關鍵技術研究

3.1 基于控制點的由外向內施測方法

國家圖書館古籍館是北京第一座大型近代圖書館的建筑遺存。古代建筑的特點恢宏大氣,規模巨大,古籍館就是一個超大的單體建筑,俯視為一座王字形建筑,有三棟主樓,另外有兩個連廊連接起三個主體建筑,如圖2所示。古籍館藏書書架林立,空間狹小、結構復雜,不可移動等特點使得內部結構更加復雜,如圖3所示。

圖2 古籍館俯瞰圖

(a)書架圖

古籍館內部總共有四層,因此為了解古籍館的整體構造,需要對古建筑內外都需要精準的測繪為后期修繕的需要提供良好的數據。

規模巨大的建筑需要進行近1 000次的三維激光掃描作業,為了能將這些海量的點云數據有序地進行拼接,采用了結合控制點和由外向內的順序進行測繪的方法,用控制測量的方法進行定點,如圖4所示,然后將基于踏勘選取的若干控制點首先將古籍館外圍的點云進行拼接,拼接好并且精度符合要求后再從古籍館入口出發,依次向內延伸,進入古籍館內部,最終完成所有站點點云拼接,見圖5。由于內部結構十分復雜,所耗費時間量巨大,因此分為兩個工作小組再對每層進行依次測繪掃描,在保證精度的同時加快工作進度[7]。

圖4 古籍館南立面入口處部分控制點

圖5 古籍館完整拼接后點云

3.2 ATRP點云拼接技術

輔助臨時參考點(auxiliary temporary reference points,ATRP)點云拼接技術,是一種在沒有布設球形靶標或平面靶標的情形下所采用特殊處理技術,是輔助以臨時的靈活參考物作為同名像控點的一種技術,這項技術適合于在古建筑內部狹小空間中以及各種環境噪聲(人員、車輛、樹木等)過多的情況下采用較為適宜,如圖6所示為古籍館外圍密集的噪聲源示意圖。

(a)光學影像

古籍館為大型單體建筑,單體建筑最大的特點是貫通連接點較少,整個建筑為一個大的整體,并且外部環境復雜,受眾多樹木以及車輛等噪聲的影響無法繼續采用靶標作為同名像控點,但為了克服貫通連接點較少以及對點云進行精準拼接的困難,本研究提出了ATRP點云拼接技術,具體方法是將古籍館外部有棱角的地方以及比較突出的可在施測過程中臨時固定的位置作為臨時像控點,或者在比較光禿無棱角無特殊標志物的墻面臨時固定一個適中大小的特殊標志作為臨時像控點,點云拼接時可以依據這些特殊位置進行精準拼接。

ATRP技術同樣適用于古籍館內部,由于該建筑內部架構十分復雜,分為地下一層和地上三層,有的書庫地上為四層,并且在掃描書庫時由于書架過多,書架之間距離太近,空間過于狹小,掃描儀與被測物距離過近等因素,導致三維激光掃描儀的掃描有很多死角無法測到,此時采取提出的ATRP技術就可以很好地對這些死角進行全方位的掃描,并且用此方法獲得的點云在RISCAN軟件中進行拼接時的精度極易達到毫米級,這再次證明了此技術的有效性。圖7為采用ATRP技術拼接的部分區域的內外點云數據示意圖。

(a)內部點云

3.3 數字正射圖制作

古籍館的建造完全采用中國傳統建筑風格,建筑特點非常富麗,大窗采用琉璃材質,顏色鮮艷,富麗堂皇,是十分具有高貴典雅、禮正儀端的國風建筑[8]。彩繪是古建筑中必不可少的一部分,它不僅美觀,而且還有一定的防水性,可以增加建筑物的壽命。這些十分精美的結構蘊含了中華民族五千年美學思想的精髓,在古建筑設計和施工中占據著極其重要的地位,直接影響著整體古建筑的形象,因此需要對這些結構進行正射并生成數字正射圖[9]。

本研究采用的是佳能國行850D+18-55STM型號的單反相機進行正射采集,并且后期采用專門處理圖片的PhotoScan軟件進行單個區域的裁剪生成數字正射圖,后期還可以制作數字線劃圖等產品,圖8為琉璃瓦數字正射圖以及琉璃瓦細節線劃。

(a)正射圖

4 點云數據在古籍館修繕保護中的應用

點云數據除了作為古籍館最原始的信息留存外,還有個主要作用就是為后期對古籍館進行修繕保護的工作人員提供可靠的參考資料[10]。點云數據可以被制作成三維立體模型,進行古建筑的整體變形分析;也可以進一步制作成二維線條圖(平、立、剖面圖)、局部細節圖等供技術人員進行尺寸量取或建筑物結構輪廓的勾繪。

4.1 三維立體模型建立

掃描獲取的近1 000站點云數據通過RISCAN軟件利用ATRP點云拼接技術生成立體三維模型總體精度在毫米級。圖9為三維立體模型。

(a)南立面點云

4.2 二維數字線劃圖制作

古籍館是一個超大單體建筑,內部結構復雜總共有四層,因此為了了解古籍館的整體構造,需要對古建筑每層平面、外圍每個立面、內部剖面分別繪制平面圖、立面圖、剖面圖[11]。通過完整準確地進行測量并繪制二維線劃圖,可以準確地了解每個構造的具體位置,使后期修繕保護工作人員能夠一目了然,掌握古建筑整體布局和環境,如圖10所示。

(a)東立面數字線劃

4.3 古籍館結構細節圖制作

要想對古籍館進行全方位的修繕,只有大量的總覽圖是完全不夠的,古建筑修復不僅注重整體的修復效果,且對各種各樣的細節也要逐一進行測量并繪制成圖,以便后期修繕古建筑時能夠對建筑構造的細節方面處理的效果十分理想[12-14]。

5 結束語

在古籍館測繪中,基于其測繪的最終目的,應當重視現代化測繪技術手段的應用,古籍館是擁有悠久歷史的,而其中的古籍更是無法用金錢衡量的瑰寶,采用如三維激光掃描技術的現代化測繪技術手段,可以達到非接觸式測量的優點,將測量過程中對古籍館的損壞可能性降低到零,此外還有高效率、高精度和多方位的優點。通過這些技術手段可以為古籍館修繕、保護和利用提供重要的數據支持。