三维激光扫描支持下的文化遗产建模应用分析

余培永，刘昭华

(江西理工大学，江西 赣州 341000)

中国作为四大文明古国之一，拥有许多绚丽多彩的文化遗产。文化遗产是人类社会发展的集中体现，具有历史的、社会的、科技的、经济的和审美的价值，是社会发展不可或缺的物证[1]。随着经济的高速发展，出现了一些市政建设、商业建设、工业建设，加上一些自然灾害的影响，导致很多文化遗产受到了损坏甚至毁灭。因此，对于一些古建筑进行数字化建模、存档等工作刻不容缓[2]。

利用传统测量方法得到数据不仅精度过低而且消耗的时间过长，而且还可能对文化遗产造成二次破坏。近几年备受关注的三维激光数据可以准确、快速地获取对象x、y、z信息，直观反映对象情况。但扫描仪只能扫描出视角以内的区域，存在一定视角盲区，除此之外还存在遮挡物的因素，导致点云模型空洞现象的发生；并且三维激光扫描仪自带的照相机获取的色彩纹理信息并不能满足模型数字化的要求[3]。为了弥补这些缺陷，结合近景摄影测量方法，获取物体表面点坐标，并称之为影像数据。三维激光扫描仪存在缺陷是自主性不够，这和近景摄影测量技术正好完美互补，利用近景摄影测量技术获取的影像数据主动性强，结合三维激光扫描的精度高特点，可以准确地建立古建筑的三维模型，并且能够真实地反映古建筑的三维信息和纹理信息[4]。

三维激光技术出现较早，很多学者都对其进行了研究。早在20世纪60年代，国外学者已经对此进行了研究。Kersten.T. H等对汉堡市政大厅进行了扫描，并根据点云数据建立三维模型[5]；J.A.Beraldin等将三维激光技术与近景摄影测量结合做出了意大利圣克里斯蒂娜地下室及壁画的三维精细模型[6]。国内学者也于20世纪90年代对三维激光技术进行了研究。彭文博等对古建筑进行了模型重建[7]；还有学者对首都博物馆中四十多件馆藏品进行了扫描，将馆藏品进行了数字化处理，并对一些破碎瓷片拼接进行分析处理，避免二次破坏。本文以朱德故居修复与保护项目为依托，采用近景摄影测量技术与三维激光技术相结合，建立精细的三维模型，将伟人故居数字化保存，以便定期的修复保护，避免二次破坏。

1 数据获取及预处理

三维激光扫描修复的步骤主要为：①获取点云数据。通过三维激光扫描仪和高分相机分别获取建筑物的点云扫描数据、影像数据。②数据处理。点云数据通过算法将不需要的点云数据剔除(以免遮挡文物数据)，并将其数据拼接；而影像数据则可以通过SFM算法生成三维点集。③点云空洞修复。由于数据遮挡原因，点云数据存在着丢失，通过比对三维点集将点云空洞修复。④建立三维模型。通过Delaunay三角剖分算法，利用修复后的完整点云建立三角网，进而建立建筑物的三维模型[8]。⑤纹理映射。利用高分相机获取的影像信息进行纹理贴图，从而完成逼真的文物三维模型。

1.1 数据获取

为了确保点云数据精度，本文运用了传统测绘方式结合三维激光扫描仪进行联合作业根据地形情况，故居外部架设了3站，故居内部架设了15站。设站点全部通过RTK及全站仪测出坐标，然后将Trimble TX8架设在已知点上进行作业。相邻测站保持了10%以上的重叠度，测站与测站之间相距20～50 m，采用2 mm的点密度进行作业，保持点云数据能够完好地拼接。一些特殊的壁画、雕刻采用超精密扫描，点密度为1 mm,这样能保证一些有历史意义的历史遗迹能够完好地保存下来。

扫描同时使用高分相机将故居里每个特征物(包括字画、雕刻、装饰物等)拍摄下来，保证每个特征物照片尽量全，尽量多，防止一些影像信息的丢失。拍摄时应该保持正射拍摄，同一块特征物尽量在一张照片上体现。影像信息过多时，应进行编号处理，保持每个细节的完整性。修复流程如图1所示。

图1 修复流程图

1.2 数据预处理

1.2.1 数据配准

由于每一站扫描出来的数据属于各自独立的坐标系，因此需要通过配准将全部设站统一到一个坐标系中，选取若干个测出的已知点进行七参数坐标转换，将所有测站统一到当地的坐标系中。点云配准如图2所示。

图2 点云配准

数据配准通常利用Besl和Mcaky提出的ICP算法实现相邻站的自动拼接[9]。利用点云的法向量特征，经过同名特征点匹配和筛选后得到精确的匹配点对，求得初始配准的转换矩阵；然后针对算法中最近点选取因错误可能引起的匹配不收敛问题，进行手动提取最近点，完成点云的精确配准；最终实现不同测站点数据的精确配准。本文通过Trimble Realworks 10.3软件进行点云配准，选取相邻站的同名点进行拼接，使所有测站拼接成一个完整的建筑。

1.2.2 数据剔除

由于扫描时存在着外界因素对目标的遮挡，造成点云数据的不正确，直接影响点云数据的质量，因此需要对点云数据进行剔除。利用Trimble Realworks 10.3中“分割”功能，通过不同视角的转换，将不需要的点云剔除干净，实现噪点的去除,如图3所示。

图3 点云分割

1.2.3 数据重采样

由于相邻测站数据之间有10%的重叠区域，因此拼接之后重叠部分点云数据密度较大，其他区域相比之下比较稀疏。这一特点不利于之后的三维建模，所以笔者在不丢失建筑特征信息的同时，需要对配准之后的数据进行统一的重采样。选中Trimble Realworks 10.3中的取样功能，利用“空间取样”对点云数据设置5 mm空间点云密度。查看点云发现并未丢失特征点云信息，并且大大减少了冗余数据，对之后处理增添了便利。

2 三维模型制作

2.1 修复点云破洞

由于外界因素遮挡(包括行人、树木等)的原因，部分点云数据被遮挡后存在丢失的情况，尤其是屋顶点云数据由于工作环境的原因并没有获得，因此本文需要对这些点云空洞进行修复。基于运动恢复理论(SFM)及算法对起初获取的影像数据进行处理，得到三维点集。将三维点集与点云数据进行叠加分析，对比出点云数据中缺少的部分，修补点云漏洞，使点云数据变得完整。

2.2 立面图、平面图、剖面图制作

由于Trimble Realworks 10.3对于一些折线绘制具有局限性，因此本文采用制图功能强大的AutoCAD来完成立面图制作。从Trimble Realworks 10.3将点云数据导出成LAS文件，通过Auto Recap将LAS文件导成RCP格式，在通过AutoCAD中插入点云功能，将点云导入在CAD中，通过CAD中画图功能，将建筑物中的特征点、线、面绘制出来。将绘制的立面图对比影像数据，确保没有遗漏的特征物。

剖面图的制作采用Trimble Realworks 10.3中的“平面提取”功能，利用与z轴平行的竖直面截取建筑物的剖面。由于建筑中房间种类丰富，为了保证建筑剖面图的完整性，本文采取了间隔1 m截取一个剖面。由于建筑复杂，许多剖面存在着重复的情况，对截取的剖面进行筛选，剔除一些重复的剖面，得到最终所需的剖面图，如图4所示。

图4 朱德故居地形图

将制作好的立面图与剖面图收集存档，并一一归档，为后续建模能够有条不紊地进行做铺垫。

2.3 三维模型制作

由于3ds Max可视化具有程度更好，渲染速度快，模型渲染处理稳定，光感细腻等特点，本文项目的三维模型建立主要通过3ds Max完成。3ds Max建模主要分为5步：①平面图、立面图导入到3ds Max，检查所有线条是否闭合，若未闭合，则将其闭合；②将门、窗、屋檐等特征物与其他墙体线区分开；③利用“挤出”命令将平面图中每个房间都拉伸成实体模型；④通过立面图中的尺寸信息勾勒出每个墙体的特征；⑤检查模型位置关系是否正确及模型尺寸与点云尺寸是否相同。

一般来说，古建筑分为3部分：台基、屋身、屋顶。屋身包括墙体、柱、梁、檩、枋、斗、栱、昂、雀替、门、窗等。装饰分为内部和外部装饰，外部装饰又分为壁画、彩画、雕刻等。屋顶的形式多种多样，主要有庑殿、歇山、悬山、硬山、攒尖、盝顶、卷棚顶等形式，有单檐、重檐之分，屋顶包括椽、望板、脊、檐、筒瓦、滴水、吻兽等部分[10]。

本次项目主体为古建筑，因此本文采取“先外后内、先总后次”(先对外墙建模，再对内部墙体建模；先对墙体建模，再对特征物建模)的顺序进行建模。由于此建筑复杂多样，因此一个整体构件需要拆分成多个构件一一完成，这样才能保证模型的完整、高度还原。主要流程图如图5所示。

图5 建模流程图

(1) 将从平面图上区分外墙与内屋，然后利用3ds Max“挤出”实体模型，如图6所示，进而根据立面图中尺寸信息进行勾绘，最后根据外墙和内屋之间平面关系拼接整个房屋模型。

图6 房屋的实体模型

(2) 将除墙体之外的装饰物(桌、椅、字画等，这里以字画为例)运用“挤出”工具制作，根据装饰物的尺寸信息进行勾绘，再将其放在实体所在的位置。装饰物的模型如图7所示。

图7 装饰物模型

2.4 纹理贴图

数据获取时虽然利用高分相机拍摄了高分辨率照片，但是有些高分辨率照片并不满足纹理贴图的要求。纹理贴图需要无污点、无多余物的正射影像图，并且照片之间色调需保持一致。因此，纹理贴图之前，需要对高分辨率照片进行矫正处理、色调处理、去污处理。矫正处理即将照片变成正射影像，照片矫正处理可以通过Photoshop中剪切、纠正、变换等功能对照片进行矫正，使得照片能与模型相贴合。由于绝大部分照片并不是同一角度、同一光亮拍摄，不同的照片色调不同，因此需利用Photoshop中亮度、对比度、色彩平和、颜色替换等功能进行色调处理将所有照片统一成一个色调。去污处理为对照片中一些污点进行去除，这一处理可以利用Photoshop中印章、画笔等工具消除照片中污点。照片处理完毕之后，利用3ds Max中的“多边形编辑”功能利用图层进行贴图，每个模型都用各自的正射化照片贴图。如图8所示，贴图时要保证每个特征物能够正确地投影，照片能完整、准确地贴合到模型。

图8 整体模型的纹理贴图

建筑物中存在一些装饰物(桌、椅、字画等，以字画为例)需要精修，对一些字画进行提取，对这些字画单独建模及精细的纹理贴图。并对相框进行锐化、对比度等处理，使得字画恢复到最初始的原貌。如图9所示。

图9 装饰物的纹理贴图

2.5 渲 染

此时，三维建模工作已经基本完毕，但是为了加强模型可视性，本文需要对模型进行渲染处理，使得渲染之后的模型较贴图模型更具真实性，达到逼真的效果。本文通过3ds Max中的渲染工具对模型进行照明焦散、环境阻光处理，然后添加渲染背景，打开渲染窗口下的RAM播放器，让渲染后的模型自动旋转，使得可视性更强。渲染结果如图10所示。

图10 渲染结果

3 结 语

本文以南昌朱德故居为例，详细阐述了基于三维激光扫描技术的古建筑精细数字化建模过程，整合古建筑学知识，并引入古建筑本体思维，为三维建模提出了新思路、新方法。采用非接触式的三维激光扫描技术，避免了传统古建筑数字化方法对建筑物的二次伤害，最终得到数字化三维模型和AutoCAD格式的平、立、剖面图，利用这些资料再现、记录和保存古建筑文化遗产。该方法不仅是视觉上的三维可视化，而且可以将其成果整合到GIS中，利用GIS强大的空间查询分析功能，方便快捷地提取古建筑各种结构关系数据信息，而这些数据信息是进行古建筑文物重建和数字化保护的基础。如果古建筑遭到人为或自然灾害破坏，就可以依据这些三维数字化保存的古建筑物数据，精确地恢复古建筑文物的原貌。可以预见，随着三维扫描技术同GIS、测量、计算机等相关技术的结合，必将不断增强其在古建筑保护、灾害监测、虚拟环境展示等领域的应用价值和潜力。通过本文分析可知：①理清建模工作的思路，将构件分类分层建模，只有这样才能使得工作不盲目、不杂乱无章，提高了建模工作的效率；②古建筑数字化建模不仅可以实现构件建模，还可以获取古建筑三维信息、纹理信息。本文尽管在古建筑建模引入了本体思维，但是由于地理对象的复杂性，还要结合古建筑地域上的空间关系完善和实施三维建模思路。