基于三维激光扫描技术的木构架文物变形监测

郑晓敏

【摘 要】目前，我国文化工作发展迅速，技术水平也不断提高，在传统木构架文物的变形管理中，三维激光扫描技术应用较为广泛。基于此，本文对三维激光扫描技术进行分析，并对其在变形监测中的具体应用展开探讨。

【关键词】三维激光；激光扫描；扫描技术；文物变形

三维激光扫描技术是通过激光对物体表面的信息以点云数据的形式表示出来，再经过对点云数据的分割、去噪和精简等过程，最后对物体的三维图像进行重构建模。随着逆向工程的快速发展，三维激光扫描技术在地质、医学、考古、建筑、农业和林业等方面的应用越来越广泛。

一、三维扫描技术

三维扫描这个词来源于平面扫描，但与平面扫描使用线扫描的方式不同，三维扫描有基于点扫描的，基于单根线扫描的，基于多根线扫描的，还有基于整个面扫描的。长距离三维扫描仪通常都是基于激光脉冲飞行时间测距原理，可用于石窟寺、摩崖造像、石桥等大型石质文物的数字化信息釆集。在实际工作中，长距离三维扫描仪可能会受到阳光、温度、湿度、气压、测量角度等多种因素的影响，应该尽量选择稳定、干扰少的条件进行工作。由于单次测量的数据会因文物自身形状的遮挡存在空洞，往往需要从多个位置进行测量。为了更好地对齐测量结果，有时可以借助标定球、标定板等辅助手段。在大部分的工作中，长距离三维扫描仪会配合测绘仪器共同工作，以完成更大范围的准确三维重建。与之相配套的测绘仪器可能包括全站仪、RTK（载波相位差分）、水准仪、激光跟踪仪等。在短距离的三维扫描设备领域，存在多种技术实现。因为三维重建算法要区分的情况非常多，计算过程往往需要较多的人工干预才能实现预期的效果。这也是其逐渐远离主流工作方法的重要原因之一。

二、三维激光扫描技术木构架文物的变形监测分析

1.变形监测技术路线

为探求木质承重梁柱常态性变形规律，获取变形数据，本文提出了木构架文物变形监测的技术路线。为保证数据测量的准确性，在开始阶段建立了永久性测量控制点与扫描标靶点。对一定时间内木构架文物建筑进行变形监测，从而可以提取连续变化量和一定时间间隔的累计变形量。本文连续变化量时间长度为一个季度，累计变形量周期为一年。为保证测量的精度，减少三维激光扫描系统的偶然性误差，在多时相数据采集过程中，采用相同测量仪器、操作人员，统一扫描站点坐标、仪器高度及扫描参数，控制扫描角、激光测距信号处理、目标物体反射表面粗糙程度带来的误差影响。同时，对系统误差引起的三维激光扫描点的坐标偏差，可通过公式改正或修正系统予以消除或减小。

2.数据采集

外业数据采集采用徕卡ScanStationP40三维激光扫描仪，P40融合了高精度的测角测距技术、WFD波形数字化技术、MixedPixels混合像元技术和HDR图像技术，测角精度为8″，测距精度为1.2mm+1×10-5D，扫描速率高达每秒100万点，扫描距离可达270m。为保证各站扫描数据具有较高精度的絕对坐标及内符合性，综合考虑主题馆周边地形情况及竣工测量的精度，在主题馆周边利用青岛市连续运行基准站系统下的网络RTK布设平面控制点，高程采用电子水准仪进行二等水准观测，并以其中一个控制点RTK观测下经精化后的正常高作为起算点，作闭合水准平差得到各个控制点的高程。架站时充分利用现场地形的高差起伏使扫描视野覆盖整个主题馆，为避免激光扫描方向与被扫物体夹角过大带来的误差，外业应尽量保证正直扫描。

3.数据挖掘

最初三维激光扫描参数的值通过一些专业人员凭经验确定，该方法速度快，而且简单，得到的三维激光扫描参数值直观，但是由于人为因素的影响，得到值不太可靠，主要较强的主观性，而且自动化程度低，三维激光扫描的效率低。随着计算机技术的不断发展，出现了一些三维激光扫描参数自动、智能优化方法。一些学者通过主成分分析、灰色关联分析等统计学方法对三维激光扫描参数进行分析和优化，找到三维激光扫描参数的最优值，结果要比人工方法可靠，但是它们属于线性优化方法，而三维激光扫描参数之间一种强耦合、非线性联，得到结果可解释性差。为此一些学者提出了基于神经网络的三维激光扫描参数优化方法，神经网络的非线性映射性能优异，可以对三维激光扫描参数变化关系进行回归和拟合，三维激光扫描参数优化精度要高于主成分分析等传统方法。然而在实际应用中，但神经网络的结构十分复杂，建立最优结构十分困难，经常得到“过拟合”的三维激光扫描参数优化结果，实际应用的局限性非常明显。近些年，随着大数据时代的到来，出现了一些数据挖掘技术，其中支持向量回归机的应用范围最为方法。支持向量回归可以从大量数据中挖掘出隐藏的规律，因此为三维激光扫描参数优化提供了一种工具。

4.BIM模型的建立

（1）链接点云数据。点云数据经处理以后，首先利用RevitRecap软件将点云模型转换为后缀名为*.rcp或者*.rcs的点云项目或点云项目索引格式；然后将点云数据作为参照链接插入到Revit项目中，为“族”库以及最终完整模型的建立提供科学的参照依据。（2）建立“族”模型。“族”是针对建筑构件来说的，它的建立能够使我们从宏观的角度认识某一特定类型的建筑构件全貌，并更直观地展现某种构件的各种分类形式。由于古建筑的各个构件与现代建筑不同，这些特殊的构件都需要我们自己创建“族”来实现，进而构成规范化的古建筑族库，服务于后续古建筑模型的建立。（3）建立标高与轴网。标高主要是用来确定建筑本身高度的信息，如层高、室内外高差等，用作屋顶、楼板和天花板等以标高为主体的图元的参照。轴网是建筑制图的主体框架，建筑物的主要构件按照轴网定位排列。（4）利用scanto BIM插件识别平面。在所需识别的平面内选择3个以上像素较好的点，通过改变Shape Tolerance和Closeness Tolerance值来调整生成的平面至其与点云完全吻合。（5）建立完整模型。把族模型加进项目中之后，就可以根据点云信息以及标高轴网的约束，将构件放置在墙上，通过创建类似实例以及偏移、镜像等功能，可以复制多个构件满足要求。最终将各个构件连接，实现完整的BIM模型建立。（6）添加属性信息。构建属性索引，将古建筑模型与古建筑全生命周期信息相关联。属性信息是BIM模型所特有的，也是将BIM技术应用于古建筑数字化保护的重要一步。

三、结语

综上所述，本文主要对木构架文物变形管理过程中三维激光扫描技术的应用进行分析，通过数据采集、数据处理、BIM模型建立等多方面内容，提高文物管理的实际水平。在实际应用中，三维激光扫描技术能够实现木质文物变形监测，对其变形趋势进行验证，能够为相关人员提供有力的数据参考。

【参考文献】

[1]黄兵，胡云岗，侯妙乐.基于三维激光扫描技术的出水文物形态监测[J].北京建筑大学学报，2017，33（1）：43-48.

[2]朱曙光，何宽，周建郑.徕卡三维激光扫描系统在建筑物精细建模中的应用[J].测绘通报，2018（2）：154-156.

[3]付晨，徐爱功，徐辛超.基于三维激光扫描的校园建筑物三维建模研究[J].测绘与空间地理信息，2017，40（11）：133-136.