三维点云处理技术在文物保护中的应用研究

黄超

摘要：随着科学技术的发展，我国的三维激光扫描技术有了很大进展。三维激光扫描作为测绘新技术，为文物建筑测绘提供一个新手段，它具有无接触、高精度、快速、所见即所得的优点。本文首先总结了三维激光扫描的工作原理以及文物建筑测绘中的工作流程，包括外业数据的采集和内业的数据处理过程，接着分析了其中误差来源，最后探讨了三维激光扫描在文物建筑测绘中存在的一些问题。

关键词：三维激光扫描;文物建筑测绘;应用

引言

文物是一个国家宝贵的历史遗产，我国对文物保护的投入正不断加大，建立文物建筑预防性保护体系是其中的一项重要工作，其核心是实现文物信息的数字化，而三维信息采集与存储是实现数字化的首要基础工作。

1三维激光扫描的工作原理

三维激光扫描技术可以快速、高精度获取地形及复杂物体的表面的三维点云数据。其工作原理是：通过激光反射这一装置，扫描仪对目标进行激光发射，通过对扫描仪内置的计时系统进行充分的利用，就可以测出激光发射和接受的时间差，从而计算出相应被测点和扫描仪间的距离。根据以下两个方向的角度值，一个是水平方向;另一个是垂直方向，就能将被测点的三维坐标数据进行测算，然后将点云数据进行储存，将其输入计算机的存储设备之中。再对这些数据进行处理，就能得到实体的三维几何模型。

2三维激光扫描在文物建筑测绘中的工作流程

2.1制定工作计划

制定工作计划的内容是根据文物建筑的自身和周围环境的情况确定是否采用其他辅助的设施和工序，根据扫描精细程度和仪器的工作范围确定大致扫描距离和扫描分辨率，根据扫描测站间的重叠程度和是否适合设站确定大致的扫描站数和扫描路线，根据天气、任务量和工作环境确定时间安排。

2.2数据管理与存储

由于文物建筑扫描测站数多、数据量大，为便于数据管理，提高数据处理效率，需将测区人为地分割成多个层级，如按测站编号划分、按楼层划分、按单体划分、按院落划分等，每个层级还可以细分子层级，将各个子层级的测站数据分别进行数据处理，待所有处理工序完成后再进行合并。对应的，扫描的原始数据也需按照相同的层级存储，由此保证了繁杂的测站布置以及海量的测站数据在分级体系中有条不紊、结构清晰，在后期数据管理分配以及最终成果制作调用上也做到准确高效、使用灵活。

2.3点云数据处理

第一步：采用徕卡公司的配套处理软件Cyclone对点云数据进行预处理与配准。将外业采集的数据进行导入，通过公共标靶点，可以实现各站数据的拼接。对于拼接完成的点云数据，我们再对其进行统一的处理。第二步：由于三维激光扫描仪在采集数据时，其扫描范围较广，会包含所有地的所有信息，这样一来，就会采集一些没有用处的数据，若不对这些数据进行清除，就会对后期的点云建模产生重要的影响，故此，一定要将这些噪点进行去除。但是从Cyclone这款软件的功能上来看，能够没有自动去噪的这个功能，因此只能依靠人工的手段，来一点一点的去除噪点。通过软件的切片功能，将点云切成一定宽度的片状显示，并设置一个好的视角，从几个不同的视角中选择和检查操作的点云，以免意外的删除掉前面或背后的有用的点云。第三步：去噪完成后，整个崖壁的点云数据仍然是非常庞大的，所以需要對点云数据进行切割，获取各龛与各佛像的独立点云数据。以便后期的协调作业，提高工作效率。

2.4文物扫描数据的应用

作为真实场景的数字化还原，文物建筑的扫描数据经注册拼接、过滤去噪、色彩均衡、通用格式转换等处理后，可用于建立文物的三维模型或是直接存档。由于扫描数据属于高精度的测绘数据，海量点云借助于CAD软件或者BIM软件，可以进一步挖掘出扫描数据的更多应用。例如，把文物建筑的扫描数据导入EdgeWise软件进行建筑构件的自动识别，再通过Revit软件进行修正处理，可以方便准确地建立文物三维模型，进而得到文物建筑的平面图、立面图等成果;也可以将扫描点云沿水平面切片后导入AutoCAD（2014或更高版本），即可直接依据点云准确绘制平面图，作图过程中不需要外业草图，无须对不同地物点数据进行编码。

3三维激光扫描用于文物建筑测绘存在的问题

（1）数据采集缺失。三维激光扫描使用的激光脉冲不具有穿透力，在建筑物比较复杂、重叠严重的时候只采集可见部分的表面信息，对于遮挡部分会造成数据的缺失。此外，信号在传播和接收途中受到各种原因的影响，部分信息可能无法记录，虽然通过补洞等手段进行部分补救，但是毕竟只是根据周边数据按照一定算法进行的数据填充的过程，没有原始数据真实。（2）文物建筑信息提取有待改进。三维激光扫描获取的文物建筑的位置、大小、形状等三维空间信息十分丰富，但是在获取彩色图案和纹理方面还有待完善。虽然通过相机获取的图像进行贴图获取色彩，但是色彩信息还不够清晰完整。（3）处理文物建筑点云数据的专业软件缺乏。目前，处理点云数据的商业软件如Imageware，GeomagicStudio，RapidForm等虽然点云处理能力很强，但都是广泛应用于机械制造方面，针对文物建筑点云数据处理软件亟待研发。（4）仪器贵重，推广受限。高精度的三维激光扫描仪还主要依靠从国外进口，价格昂贵，动则几十万到上百万元，对于一般的文物保护单位和施工单位来说很难承担，在实际推广中受限。

结语

综上所述，随着科学技术的不断发展，测绘技术日益丰富，其中三维激光扫描技术对于文物建筑的测绘而言是重要的，该技术有着一系列的优点，如：快速、精准与无接触等。通过本文的研究，三维激光扫描技术的作用将得到最大限度的发挥，文物建筑测绘工作将更加高效、准确与科学。

参考文献

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