基于三维激光扫描技术的古陵墓可视化

侯 飞，胡召玲，刘 晴

（1.江苏师范大学 测绘学院，江苏 徐州 221116；2.江苏师范大学 城市与环境学院，江苏 徐州 221116；3.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079）

当前古陵墓的保护与宣传日益受到人们的重视，为有效保护古陵墓资源，提升其保护管理水平，实现数字化、网络化管理，迫切需要开发古陵墓三维计算机仿真和可视化系统。三维可视化系统将采集到的数据进行可视化建模，以三维图形或动画效果方式显示，与3S技术相结合可对数据进行三维可视化分析，不仅可为古陵墓的管理、旅游资源宣传、游客等提供管理、查询和信息发布平台，还可为人们进行考古研究、考查和科普教育提供便利条件。古陵墓测量数据是三维景观建模和可视化必不可少的基础数据，其准确度、精度和详细程度直接影响三维数据的质量和可视化系统的应用价值。古陵墓大都处于地下巷道和硐室，利用传统的测量仪器如GPS、全站仪和水准仪不仅很难在墓道里施工测量，还要花费大量的人力、物力，占用大量的时间，影响景区的旅游参观，因此需要发展新的测量技术用来获取古陵墓的空间数据。三维激光扫描系统是一种新兴的三维坐标测量系统，它集成了多种高新技术，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式快速获取被测对象表面阵列式几何图形的单位数据。它的核心部分是三维激光扫描仪，具有非接触性、快速性、主动性、数据采集的高密度性、方便操作及携带等特性［1］。目前已被应用于古建筑保护［1－2］、建筑物的三维建模［3－4］、开采沉陷盆地的获取［5］、海底隧 道的安 全监测［6］、林木测量［7］、工程监理测量［8］等方面。三维激光扫描技术如同对真实场景进行复制而获取测量数据，数据的可靠性高［8］。本文以徐州市狮子山楚王陵为例，基于Leica HDS公司的ScanStation C10三维扫描系统，提出了基于三维激光扫描技术的古陵墓可视化技术流程，研究了古陵墓空间数据获取与处理、三维景观建模与可视化实现的方法。

1 研究区概况

楚王陵是徐州市狮子山楚王陵风景区的核心景点，它是西汉早期分封在徐州的第三代楚王刘戊的陵墓，位于其西侧300m远的汉兵马俑则象征着卫戍楚王陵的部队。它位于徐州市东三环附近狮子山南麓，交通便利，环境优美。楚王陵凿石为室，穿山为葬，墓室嵌入山腹内深百余米，规模庞大，气势恢宏，建筑结构奇特。墓室的形制和结构也极力模仿现实中的地面住宅，墓道两侧有12间总面积为850m2的地下墓陵，墓道尽头有间墓室里存放楚王铜像和各种古代娱乐设施，墓道出口处地面上用网架结构建成大型仿古式建筑。

2 技术流程

整个技术流程分为古陵墓外业数据采集与处理、三维景观建模、三维可视化3部分，具体如下：利用三维激光扫描仪获取研究区的外业测绘三维点云数据，在三维激光扫描系统的数据处理与建模软件Cyclone7.0中，对点云数据进行去噪、配准、拼接等预处理后，基于点云数据生成古陵墓表面的不规则三角网（TIN）；将TIN导入三维建模软件Google SketchUp中，依照楚王陵各景观的实际形状、尺寸和表面结构对其进行几何建模，再赋以真实的模型材质，形成古陵墓三维景观模型，将古陵墓模型与利用等高线生成的真实感地形和附属设施相叠加，构建完整逼真的古陵墓三维景观模型；将三维景观模型分批导入虚拟现实软件Lumion 3D中，实现三维景观的可视化。技术流程如图1所示。

3 数据获取与处理

3.1 点云数据获取

利用Leica HDS ScanStation C10扫描系统进行楚王陵外业数据采集和预处理，在保证扫描精度的同时，为了减少工作量和数据冗余，应合理布设和选择扫描测站的数目、扫描测站的位置、标靶位置和扫描测站的目标及扫描分辨率等。

根据墓道的位置及形状等特点，此次扫描共设11个测站，每站设置4个球形标靶，以使在此后进行的模型拼接过程中，数据具有合适的重叠度，目标扫描的扫描点距设置为5cm。图2是在其中的一个测站扫描所获得的原始点云数据。

3.2 点云数据去噪和拼接

由于点云数据在采集过程中受到扫描系统、扫描环境等因素的影响，会产生许多噪声，在对数据进行拼接前，先对各测站的扫描数据分别进行去噪处理，利用扫描系统的数据处理软件Cyclone7.0进行去噪处理后，然后再对标靶数据进行拼接，楚王陵拼接后的点云数据如图3所示。

图3 拼接后点云数据

4 景观建模与可视化

4.1 创建TIN和三维景观模型

古陵墓中的建筑物、墓道、铜像等物体大多是不规则的几何体，不能直接采用Cyclone软件中常用的三维模型组件（如柱体、球体、管状体、长方体等立体几何图形）进行古陵墓三维模型的构建。采用Cyclone软件的TIN多边形算法，由点云数据构建古陵墓的不规则三角形，生成TIN。

古陵墓三维景观建模是按可视化的要求，虚拟呈现古陵墓中各景物实体，本文根据所生成的TIN，采用Google SketchUp软件构建三维景观模型。Google SketchUp是Google公司于2006年推出的方便易用且功能强大的极具特色的三维建模软件，其界面设计简洁，命令简单，形成的模型为单面多边形类型，能与Google Earth有机结合［9］。借助它的贴图功能，可以快速建立非常逼真的三维景观模型，在大场景建模中，它的优越性表现得尤为突出，特别适合于建筑物、园林等景观的三维建模，通过SketchUp ESRI插件，还可以将SketchUp中的场景导入到ArcGIS中，开发出三维GIS系统。

楚王铜像是楚王陵中重要的景观之一，形状极其复杂，经三维激光扫描仪进行精扫描获得大量点云数据，利用Cyclone软件的TIN多边形算法，利用这些点云数据构建出铜像的不规则三角形，生成TIN，共计48415个三角形。将TIN数据导入到Google SketchUp中，建立铜像的三维景观模型。SketchUp中的建模过程包括几何建模和纹理贴图两部分。几何建模表达了景观的几何框架，就是根据景观的位置、形状以及高度信息构建建筑物的基本轮廓，纹理贴图则是要在其表面或内部赋上纹理图片使其更加真实，展现三维景观的视觉效果。纹理图片是到现场用高分辨率的数码相机（1200万像素）拍摄获得，由于整个楚王陵中的景观纹理图片有几百张，数据量达到GB级，为方便使用，须对每张图片的数据量进行压缩，大小进行适当调整。对于受景观高度、拍摄距离等因素的影响所拍摄出的斜拍图片，要通过仿射变换处理将斜拍图片变换成直拍图片。

先根据铜像的TIN数据进行几何建模，构建其精细轮廓，然后将处理后的纹理图片导入到Sketch－Up材质库中，通过设置贴图坐标调整贴图的具体位置和尺寸，并利用曲面贴图、包裹贴图、吸管工具等高级贴图方式调整贴图效果。楚王铜像的三维景观模型如图4所示。

图4 楚王铜像的三维景观模型

4.2 可视化的实现

三维可视化是指将计算机处理和生成的三维数据在屏幕上显示并进行交互处理的过程。人机交互不仅允许用户指定屏幕上的物体，而且还可以通过鼠标或键盘移动、选择等方式操作这些物体，以实现用户在不同角度、不同方位、不同距离的情况下对其进行全方位的观察与分析。

将在SketchUp中生成的三维景观模型导入到可视化软件Lumion中，实现古陵墓景观的三维可视化，Lumion软件是荷兰ACT－3D公司于2010－12－01正式发布的建筑可视化软件，它是一个实时的三维可视化工具，能够提供优秀的图像质量，并将快速和高效的工作流程结合在了一起，为用户节省时间、精力和开发成本。通过该软件，人们能够直接在自己的电脑上从Google SketchUp、Autodesk产品（3DSMAX或者MAYA）及其它的3D软件中将3D内容导入Lumion中创建逼真的虚拟现实环境，然后通过GPU高速渲染方式来生成高清电影，Lumion用更快的速度、更高的质量大幅降低了制作时间，并且可以用视频播放方式展现作品惊人的可视化效果。

由于受计算机硬件设备的限制，在显示大范围、高精度的三维场景时，会出现屏幕停顿、卡屏、显示缓慢等现象，为此，必须采用一定的技术方法解决上述问题，提高三维场景的实时显示效率，本文采用无损压缩三维数据信息量法来提高三维数据显示速度。楚王陵入口处的视频显示效果如图5所示。

图5 三维视频效果

5 结束语

基于ScanStation C10脉冲式三维激光扫描仪获取徐州市狮子山楚王陵的三维点云数据，基于Google SketchUp软件构建了三维景观可视化模型，利用虚拟现实软件Lumion 3D实现了楚王陵的三维可视化。结果表明：三维激光扫描技术作为一种新的测量手段和技术，能快速、有效地获取古陵墓的高分辨率三维点云数据，在此基础上，可构建精准的古陵墓三维景观模型，并进一步开发出古陵墓的三维可视化系统。如何在保证扫描精度的同时，减少数据冗余，提高数据处理和三维景观建模的效率，还值得进一步研究。扫描系统的数据处理软件Cyclone7.0也存在不足，所生成的TIN数据不能直接导入到SketchUp软件中进行景观建模，还需要通过AUTOCAD软件进行数据格式转换，这样增大了数据处理的工作量。

［1］周华伟，朱大明，瞿华蓥.三维激光扫描技术与GIS在古建筑保护中的应用［J］.工程勘察，2011（6）：73－76.

［2］刘旭春，丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用［J］.测绘工程，2006，15（1）：48－49.

［3］刘求龙，胡伍生，王骢，等.三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的应用［J］.测绘科学，2011，36（2）：210－212.

［4］吴静，靳奉祥，王健.基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模［J］.测绘工程，2007，16（5）：57－60.

［5］陈冉丽，吴侃.三维激光扫描用于获取开采沉陷盆地研究［J］.测绘工程，2012，21（3）：67－70.

［6］侯海民.三维激光扫描仪在青岛胶州湾海底隧道的应用［J］.隧道建设，2010，30（6）：693－696.

［7］李超，程浩，王芳.三维激光扫描仪在林木测量方面的应用［J］.测绘通报，2011（11）：84－85.

［8］闻永俊，陆益红，孙徳鸿，等.三维激光扫描技术在监理测量中的应用［J］.测绘通报，2011（9）：89－90.

［9］马亮.中文版Google Sketch pro8.0完全自学教程［M］.北京：人民邮电出版社，2012