点云技术在建筑文化遗产保护中的实践与探讨

李滨，程承旗，段奇三

(1.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京100871;2.北京大学工学院，北京100871;3.天元集思(北京)科技发展有限公司，北京 101300)

1 点云技术的发展

点云(Point Cloud)是现代测量技术中，对测量对象密集的空间采样点数据的形象刻画。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集的点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。另外，结合其他逆向工程软件和各领域的专业应用软件，点云数据还可用于各种后处理应用［1］。

点云技术的应用始终伴随着硬件和软件技术的发展而不断地深入。早期的测量，包括手工的量测和后来基于激光测距的全站仪等精密仪器的测量，都属于单点测量的范畴。采用激光进行距离测量已有近四十年的历史，而自动控制技术的发展使得点云技术最终成为现实。随着测量速度的提升，测量形式也由量变引起质变，由单点测量革命性的进化到面测量阶段。数据也由少量的特征点的数据升华到海量数据的点云阶段。从硬件方面来说，1995年Cyrax推出世界上第一个点云获取的三维激光扫描仪的原型产品，当时点云获取速度100点/s;经过十几年的发展，目前最新一代的产品中，扫描仪的点云数据获取速度达到100万点/s。从软件方面来说，随着硬件的提升，点云数据量急剧膨胀，如何浏览、处理、分析和展示海量的点云，成为软件研发的重要内容。尤其是如何在点云中提取需要的信息并最终以成果的形式加以呈现，是点云技术运用的关键。点云处理软件的研究，也是逆向工程领域的一个重要研究方面。目前，通用的成熟的点云处理软件，主要包括Polyworks，Geomagic等。

2 建筑文化遗产保护中点云的应用

建筑文化遗产负载着历史与文化信息，总是以各种形式各种载体体现在现实空间之中。建筑文化遗产不是永存的，随着岁月的变迁和外界环境的变化，建筑文化遗产会慢慢消逝。尤其是当前，随着我国经济社会的快速发展，社会生活的各个方面都在发生急剧变化，特别是城市化进程的加快，使得原有的建筑遗存消失的速度大大加快，如果不能及时加以发掘和保护，则很可能在极短的时间内消逝。而给建筑文化遗产建立档案尤其是数字档案，无疑是保护工作的重要的一个前期环节。

随着科技的进步，给建筑文化遗产建立数字档案的手段越来越多，越来越先进。点云作为一种新的测量技术，又被称作“实景复制”，是一种非常适合建筑文化遗产的技术手段。点云技术应用于建筑文化遗产保护有如下优势:

首先，非接触的数据获取方式，在不触及文化遗产的条件下进行保护研究，从而减少保护干预中的不必要破坏，提高复原遗产古貌的准确性;

其次，扫描速度快，获取数据的外业工作时间大大缩短，提高了工作效率，减少了工作强度，减少了重复测量的次数，节省了人工;

第三，三维激光扫描技术获取的数据精度高，减少了传统人工获取数据的偶然性误差;

第四，改变了传统的数据采集方式，无需搭建脚手架，直接在地面获取完整数据，提高了工作安全性;

第五，数据记录全面翔实，且展示成果多样。

由于点云技术在建筑文化遗产保护方面具有上述独特的特性，因此自2000年以来，点云技术逐渐被应用到国内的一些建筑文化遗产的保护研究和实践之中。代表性的有麦积山石窟数字化技术应用研究、颐和园标志建筑——佛香阁精细测绘、中国古建筑精细测绘——晋祠圣母殿精细测绘、中国古建筑精细测绘——山西万荣稷王庙、山西平遥镇国寺天王殿与万佛殿精细测绘、北京先农坛太岁殿古建筑精细测绘、武当山南岩宫两仪殿精细测绘与三维建模技术研究、三维激光扫描测量建模技术研究及在故宫古建筑测绘中的应用(国家测绘局测绘科技进步一等奖)等。另外，长城、敦煌莫高窟、云冈石窟、龙门石窟、乐山大佛、佛光寺、普乐寺、宁波保国寺、开平碉楼等一批国内的历史建筑、石窟、寺庙等建筑文化遗产，都有了点云技术的运用［2～5］。

3 点云的精度

作为基础数据，点云的质量直接影响后期处理的成果的精度。点云的精度一般包含了单点测量精度、角度精度、表面模型的精度、标靶的精度、双轴补偿器的精度等。国内学者对于扫描仪的精度指标，已经有了一些探究［6～8］。其中，前三者与数据获取的硬件设备紧密相关;而模型表面精度很大程度上取决于软件的算法。距离精度是指沿着激光发射装置和被测物体的连线的方向上，测量值和真值之间的偏差。点位精度是指垂直于激光发射装置和被测物体的连线的方向上，测量值的与真值之间的偏差。距离精度和点位精度，统称为点云的范围噪音。范围噪音与数据获取的硬件设备的精度直接相关，也与外界环境，比如温度、气压和被测物体本身的反射率相关。并且，由于激光测量的误差始终存在，决定了范围噪音随着硬件技术的提升只能尽可能的减小，不能完全杜绝。图1显示了同一个被测物体(横线代表被测的墙面)的高范围噪音和低范围噪音的数据，其中的小圆点代表了点云数据中的一个点［9］。

需要强调的是，范围噪音是一个基于单点测量的精度的概念，它是多次重复测量的单点精度和重复性的度量，不是整体点云的绝对的准确度。这里需要引入一个描述点云的处理结果精度的概念:模型表面精度。所谓模型表面精度，是指利用软件对点云中的大量的散点进行统计分析后，建立表面模型，得到的模型与真值之间的偏差。以图1中的两个数据为例，分别对两个数据进行统计分析建立模型之后，拟合出来的模型平面将非常接近。并且拟合出来的结果与真实墙面之间的偏差要大大小于范围噪音。也就是说，由于模型表面精度是对大量散点统计计算后得出的结果，因此其比范围噪音在数值上更小，也即模型表面精度要优于范围噪音。模型表面精度与点云的质量有关，也与软件中的算法有关。

图1 高范围噪音(左)和低范围噪音(右)的点云数据

4 点云的数据处理

点云作为基础数据，记录了目标对象的坐标信息、反射率信息和纹理信息。而对点云的处理，主要分为色彩的处理、点状和线状特征的提取和体特征的提取。

点云作为客观世界的真实记录，色彩还原是基础的步骤。原始的点云数据一般都是单色或者假彩色。单色是给点云赋予了单一的色彩，而假彩色则是根据一定的规则，比如点云中点的反射率的强弱(返回激光与出射激光之间的能量比值)或是点的高度，有规律的赋予每个点彩色信息。对于建筑文化遗产保护而言，一般需要还原为真彩色的点云数据。通常，采用高分辨率的数码相机记录下真实的色彩和纹理，通过软件，进行纹理映射，将点云还原成真彩色。

对于点状和线状特征的提取，一般在现有的点云处理软件都可以实现。点状特征比较容易提取，可直接在点云中捕捉。线状特征可直接通过捕捉关键点生成，也可通过软件中的一些算法实现。比如利用徕卡的基于CAD的CloudWorx插件，可在CAD中打开点云数据，进行切片处理，得到的点云切片可通过软件自带的拟合功能，将直线、圆、弧段等线状特征通过计算自动拟合生成。

对于体特征的提取，如果对象是规则的几何体，可通过点、线、平面、柱体、台体、球体等或它们的组合加以实现。而对于建筑文化遗产中的非规则对象，特别是中国古典建筑和雕塑等对象，其表面是复杂曲面，无法通过规则的几何体进行表面建模，就需要专门的软件进行体特征的提取。这类软件主要有Polyworks和Geomagic等。其方法是通过一定的算法，构建对象表面的三角格网，从而形成对象的表面模型。再通过专门的虚拟现实软件，比如3D max或Skyline等展示平台，可以将建筑文化遗产数字化的展现。图2显示了点云技术对一座钟亭的数据处理流程和成果形式。

图2 实物→点云(假彩色，真彩色)→表面模型→线画图(立面图，剖面图)

5 成果形式

点云在建筑文化遗产保护中的成果形式主要有以下几类［1］:

5.1 原始点云

点云数据是实际物体的真实尺寸的复原，是目前最完整、最精细和最快捷的对建筑文化遗产现状进行档案保存的手段。点云数据不但包含了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，还可以精细的保留对象物体的纹理色彩信息;结合其他定位仪器可以将整个对象数据放置在一定的空间坐标系内。

通过点云处理软件，我们可以在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、体积等的量测。彻底替代了传统的用皮尺测量的方法，直接将对象物体移到电脑中，利用点云在电脑中完成传统的数据测绘工作，是完全地将实景复制到了电脑中。

5.2 线画图件

作为传统的文化遗产保护尤其是建筑文化遗产的成果之一，是各种的线画图件，包括平面图，立面图和剖面图等。这些图件可以表示建筑物文化内部的结构或构造形式、分层情况，说明建筑物的长、宽、高的尺寸，地面标高，层顶的形式，门窗洞口的位置和形式，外墙装饰的设计形式和各部位的联系、材料及其高度等。利用点云数据，在CAD中使用基于CAD的点云处理插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面、剖面图和正射影像图。不但制图速度大大提高，也提高了制图精度，还大大减少了外业人员的工作量。

5.3 网络发布

利用各种点云发布软件和三维展示平台，扫描的点云可以发布在互联网上，让远端用户通过互联网有如置身于真实的现场环境之中。发布的点云不但可以网上浏览，还可以实现基于互联网的量测、标注等。有利于数据共享和现有文物的网上展示。尤其是对于一些不宜长期向公众开放的文物景点，通过网上发布的彩色点云数据，可以满足公众的网上虚拟浏览的需求。

5.4 数字化模型

点云技术比较适用于建筑文化遗产中的古典建筑、古墓葬、石窟、佛像、雕塑等的虚拟再现。扫描获取的数据可以利用专门的点云处理软件进行建模，构建表面格网模型，再通过纹理映射或是导入到其他三维软件中进行纹理贴图，最终得到建筑文化遗产的数字化的模型。

5.5 建筑文化遗产的视频资料

结合点云处理软件的空间漫游和电影动画制作功能，在扫描后的点云中设置漫游路径，可以实现有如真实空间中的漫游效果。通过点云处理软件自带的记录功能，可以将漫游过程录制成视频文件，这是虚拟漫游的很好的工具，也有利于作为成果进行保存、宣传和展示。

6 研究和应用探讨

目前，点云技术在建筑文化遗产保护的应用正逐步拓展和深入。在实践中我们也发现了该项技术的一些值得研究和应用的课题。一是自动噪音剔除技术。点云的数据量非常丰富，在记录了目标对象的丰富的信息的同时，也记录了大量的无关的噪音信息。目前对噪音信息的剔除主要通过手工的方式，如何提高噪音的自动识别和剔除，是应用和研究的一个方向。二是自动成图技术。点云提供了基础的原始数据，如何通过软件自动的获取各种需要的成果图件，提高成图的效率和精度，也是将来研究的一个方向。三是自动建模技术。目前在识别点云数据中的体模型时，只能半自动的识别一些规则的几何体，而对于非规则几何体的复杂曲面，如何实现准确高效的自动建模，也是点云处理软件的一个研究的重要方向。四是对中国的古典建筑文化而言，如何将中国传统建筑的构件参数化，建立中国古典建筑的模型库，将也是研究和应用方面的一个重要课题。传统建筑模型库的建立，将大大提高点云技术在中国建筑文化遗产保护应用中的适用性和效率。五是标准和规范问题。点云技术作为一个新技术，加上相对而言实施项目的绝对数量并不是很大，因此目前尚无系统的工作方法、规范与标准。方法与标准的统一，有助于数据的共享，有助于将来实现全国乃至全球范围内的文化遗产保护的基础数据库。上述方法和标准问题还需要测绘、文化遗产保护、历史、计算机等各方面专家的共同努力。

点云技术的出现，大幅度提高了建筑文化遗产测绘的工作效率和成果表现形式。在建筑文化遗产的现状测绘与数字化存档、虚拟重建、灾害分析、辅助修复、信息管理等方面都具有非常重要的现实意义。这项新技术在实践过程中的一些方法还需要进一步的探讨和总结，有一些标准有必要尽快建立，以便于推动我国的建筑文化遗产保护事业的发展进程。

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