基于三维激光扫描技术的大型古建筑精细三维重建

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1、DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2014.02.002第23卷第2期河南城建学院学报Vol．23No．22014年3月JournalofHenanUniversityofUrbanConstructionMar．2014文章编号:1674－7046(2014)02－0058－05基于三维激光扫描技术的大型古建筑精细三维重建12张键，董玉华(1．河南省测绘工程院，河南郑州450000;2．郑州大学综合设计研究院，河南郑州450000)摘要:大型古建筑文物结构复杂，数字化保护工作繁琐且沉重，而三维激光扫描技术作为测绘领域的一项高新技术，具有无接触测量、效率高

2、等优点，将三维激光扫描技术应用到文物保护领域将成为精细、快捷的文物档案保护手段之一。以某大型仿古建筑为例，详细阐述了数据采集的技术和方法，结合在数据处理过程遇到的一些问题进行了探讨和总结。最终给出该建筑物的局部纹理映射图和各类效果图，为三维激光扫描技术在大型古建筑三维重建中的应用提供借鉴和参考。关键词:三维激光扫描;点云数据;文物保护;三维重建中图分类号:P225．2文献标识码:A文物测绘是文物保护工作的基础和前提工作。随着人类活动的日益影响，许多重要古建筑文物遭到不同程度的破坏。对文物进行三维重建是文物保护的有效手段。我国古建筑测绘，常常是采用标尺、标杆手工测量，这种方法精

3、度低、无明确的精度指标，并会对文物造成一定程度损坏。随着非接触性测量方法———近景摄影测量技术的发展，这种测量方式也逐步运用到古建筑保护中。但是这种方法并不能直接获取目标物的几何信息;受摄影时光线不均匀的影响，文物的细节方面并不能得到完整的表达;［1－4］在对目标物进行控制测量时，布设在文物上的一些控制点仍会对其造成一定程度的破坏。随着计算机及相关技术的迅猛发展，三维激光扫描技术以其非接触测量、数据采集效率高等独特的技术优势，［5－6］开始在古建筑的数字化保护与复原中扮演重要的角色。本文以某大型仿古建筑为例，利用三维激光扫描和近景摄影测量技术对其进行三维重建。1地面三维激光扫

4、描的基本原理及技术优势地面三维激光扫描(Terrestrial3DLaserScan)是一项集光、电、计算机等的高新技术，扫描原理是依据测量激光束从发射到返回所用的时间算出距离观测值S，精密时钟控制编码器保证激光扫描能够同步地测量出横向扫描角度观测值α和纵向扫描角［7］度观测值θ。激光扫描数据中所采用的坐标系统是仪器自定义的三维坐［7］标系(见图1):坐标原点位于激光束发射处;Z轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正;X轴位于仪器的横向扫描面内与Z轴垂直，且垂直于物体所在方向;Y轴位于仪器的横向扫描面内与X轴垂直，且与X轴、Z轴一起构成右手坐标系，同时Y轴正方图1地面三维激光扫描

5、系统扫描原理收稿日期:2013－09－06第一作者简介:张键(1987－)，男，河南周口人，硕士，河南省测绘工程院助理工程师。第23卷第2期张键，等:基于三维激光扫描技术的大型古建筑精细三维重建59向指向物体。由此可得到激光脚点坐标的计算公式为:X=Scosθcosα{Y=Scosθsinα(1)Z=Ssinθ式中:S是点P到激光扫描仪的空间距离;α是横向扫描角观测值;θ是纵向扫描角观测值。三维激光扫描的原理决定了与传统单点测量方式不同，三维激光扫描系统每秒钟以几万点的数据量进行数据采集，可以快速地获取物体表面的几何信息，直接生成高密度的点云数据。其具有以下几种优势:非接触性

6、测量(不会对文物造成损害);精度高，数据量丰富;速度快，能够全天候工作;数据全面，易加工。2三维激光扫描的工作流程三维激光扫描的工作流程一般分为三个步骤:拟定作业计划，数据获取和点云数据处理。在具体实施之前应制定详细的作业计划，主要包括:根据扫描对象的特点和精度要求，设计合适的作业路线和测站数，确定合理的扫描距离和采样密度等。数据获取阶段包括点云数据的采集，纹理信息的获取等。点云数据质量的好坏直接关系到后期数据处理的效果，因此在数据获取阶段还要初步验证点云数据的准［9－10］确性。数据处理阶段主要是点云数据的预处理、构建网格、三维重建等过程。数据处理阶段较为费时、复杂，在海量

7、的点云数据中要提取有用的数据信息，对数据处理人员的技术要求相对较强，不仅要掌握相关的测量知识，还要掌握专业的三维建模软件，甚至还要具备一定的软件开发能力。3三维激光扫描技术在文物保护中的应用3．1获取点云数据以仿古建筑某大学校门为例，本次扫描采用LeicaScanStation2三维激光扫描仪和Cyclone6．0配套软件进行数据采集。由于被测物体较大，扫描时采用多测站对目标物进行数据采集，整个扫描过程共设置21站，12个标靶，目标物上的石雕采用1mm采样密度，其他结构采样点密度为5mm。为了保证拼接精