基于3D激光扫描技术下的传统村落影像资料处理——以锦江木屋村为例

李雷立，魏旭廷 （吉林建筑大学，吉林 长春 130000）

1 概述

我国各种风格的传统村落都具有其独特的风格，然而近些年传统村落被损毁问题变得十分严重，为了这些传统村落能有更好的保护、维修及提供更完整的研究价值，获取到准确与真实的图像资料就变得尤为重要。然而在传统的图像资料的获取中，人们大多采用传统测绘、摄影、录像等手段，这些方法手段不仅需要较多人力、财力及时间的投入，同时也会受到多种不可控因素的影响，使图纸最终的完整度与准确性受到一定的局限。

现在，随着计算机技术的快速发展以及各种新技术的不断推出，衍生出的3D激光扫描技术将可以被引入于建筑模型的测绘与保护中，这是一种利用2D激光雷达配合云台装置，设计了一种3D激光扫描仪作为三维数据获取装置。根据扫描仪的硬件特性和传输特性，进行PC端的扫描控制系统以及数据处理系统的设计。扫描控制系统实现了对扫描范围以及扫描精度的控制和设定，数据处理系统针对采集到的原始数据，经过坐标的映射将相对坐标转换到全局坐标，并进行点云滤波，利用最小二乘进行曲面光滑，最终进行三角网格重建。经过多次实验结果证明，该系统可以对一般几何复杂度的三维场景进行较好的重建。

位于吉林省得锦江木屋村建于1937年，已有70余年的历史，是迄今为止发现的保护最好的木屋群落。2006年，锦江木屋村被抚松县列为县级传统民居文化遗产保护单位，2008年，被白山市人民政府列为第一批非物质文化遗产之一。

为了对其进行更好的保护，本文将使用3D激光扫描仪对锦江木屋村的建筑进行数字化扫描，并处理扫描所得到的数据并建立出一套可供参考、使用、研究的矢量模型。对于数字化扫描的成果进行矢量化操作，形成供管理、提取、使用的模型元素，也具有着重要的意义。

1.1 使用3D激光扫描技术对传统村落影像资料处理的意义

1.1.1 丰富各类建筑的历史文化展示形式，提高展示效果

很多传统村落所坐落的位置比较偏僻，这些位置将会成为他们展示自己建筑魅力的绊脚石。通过3D激光扫描系统，将这些村落中最具有代表性的样子向大家展示出来，让人们可以更加完整、具体、客观地了解到自己希望了解的细节，从而对其可以有更深一步的研究。

1.1.2 提高建筑历史文化的保护手段

用来保护村落的传统方法，往往会受到受到地域、空间、时间上的各种限制，无论是资料查找，还是以前用来保护建筑的方法，很多会受到地域、空间、时间上的各种限制，在最需要资料的时候只能通过书本及文献来查找。而文献及书籍都有这时间的局限性，在文献发出后，该村庄也许会发生很多变化，如此一来，这些文献及书籍的数据或者图片将会变得不够精确，为专家学者的研究带来一些麻烦。通过3D激光扫描技术，可以将扫描到的建筑信息资料收集到资料库，并进行分类。如此一来，可以更加便捷地为专家学者提供研究资料。

1.1.3 突破时空限制，充分发挥建筑的历史文化价值

随着时间的推移，即使能够提供到保护，很多古老建筑中的各种特征也会渐渐损坏，衰退，以至于失去其原有的风貌。使用3D激光扫描技术，将各种建筑中的现有细节统统完整的保留下来，对于日后的再研究，再探索，再学习都有着很大的帮助。

1.1.4 整合并共享各地历史文化及相关文物史料资源

中国地大物博，不同地区的不同类型的建筑都有着不同的特点，不同的风格，无论是色彩层面，结构层面，规划层面等都有着自己鲜明的个性；使用3D激光扫描技术对这些建筑进行扫描，存档并加入资料库中，让人们不论在什么地方，都可以对这些村落进行横向的比对，对于传统村落的研究将变得更加容易。

1.1.5 探索3D激光扫描技术在其他领域的价值与应用

由于3D激光扫描技术具有数据采样率高、精度高、不接触性、可直接生成三维空间结果等特点，使用3D激光扫描技术进行数据采集或将成为一种趋势，将来或许也会成为数据模型采样方法的主力军。

2 3D激光扫描技术工作过程及成果

2.1 扫描

①确定目标建筑外形，目的是为了决定3D激光扫描仪具体需要扫描的站数。

②开机扫描仪，并将其固定在地面保持扫描仪的稳定，确保其在扫描过程中不会晃动，由于3D激光扫描仪是以点云的形式记录建筑物，每个扫描到的激光点相对位置就显得尤为重要，若是在扫描过程中未固定扫描仪，那么在扫描的过程中难免会出现扫描点重复或有地方没有扫描到的情况，在得到最终扫描的站点资料后，距离误差就会变得很大。为了避免在最终的得到扫描数据后发现不可用，造成不必要的麻烦，在最开始就一定需要固定3D激光扫描仪。

③确定倾角仪，确定扫描仪的水平状态。当扫描仪的状态处于未水平状态时，扫描仪的水平面板会呈现出红色，这时我们便需要调整扫描仪，将其控制在灰白色的状态，即水平状态。调整倾角仪的方式，一般会采用调整固定扫描仪的三脚架的其中一根，当高差过于悬殊的时候，也可以采用使用外力将其垫高或降低。

④调整参数，即是否需要扫描色彩，扫描质量的高低，扫描仪与物体的距离，分辨率等等。因为扫描出来的文件随着其作用的不同，所需要的质量也各不相同。例如，本次研究的传统村落建筑，其目的是保护，因此需要得到建筑的各个细节，甚至各个构件等等。正因如此，我们需要将扫描的质量调整到最高，并打开色彩，这样便会得到一份十分详细的建筑扫描资料，为后期的拼合与建模提供了良好的前提条件。除此之外，若是使用3D激光扫描仪做一些旧城改造的项目时，我们便不需要使用这一套参数，因为，旧城改造最终落脚点是改造，扫描的目的是将现有不完美的建筑扫描出来作为初期参考，如此一来，我们只需要知道该建筑的外形及基本尺寸，因此，我们便没有必要将色彩等等高级参数打开，占用内存；另外，旧城改造的数量往往比较庞大，若是将质量调整的很高，而极高质量的扫描文件，往往会在5分钟到8分钟，这样一来便会浪费很多不必要的时间，如果采用黑白中低质量扫描，每扫描1个站点往往仅需要2分钟到3分钟，大大节省扫描工作，提高工作效率。

⑤开始扫描。在调整完所有参数，确定扫描仪已固定并处于水平状态时，便可以开始扫描，这时的我们应当尽量处于一个不会遮挡目标建筑的位置。因为当我们站在目标建筑前时，我们自己将被扫描仪完整扫入，而根据扫描仪的激光扫描机制，我们所遮挡的部分，在后期的扫描结果中，将会以黑影呈现，且无法粘贴，因此，为了避免这一不必要的麻烦，我们应当在扫描时离开目标建筑，并尽量确保目标建筑前不会有遮挡物。

图1 3D激光扫描仪

图2 扫描后获得的影像资料

2.2 数据处理

①将扫描后的.fls文件全部拖入SCENE软件中；

②新建群集“scan2”，将之前的.fls文件全部拖入新建的群集scan2中。之后将所有站点进行加载。建立新群集的目的是为了之后在进行点云数据拼合的过程中不会出现混乱的情况。因为当所有站点放入SCENE软件中，在软件界面中就会发现所有的图片重叠在一起难以区分，而SCENE软件无法使用撤销功能，所有的点云图像一旦变换位置，方向或大小，便难以回到之前的状态。正因如此，我们需要将暂时不需要拼合的站点文件先暂时放入“scan2”中，只保留2-3个站点文件，干净且清晰，在我们将这2-3个文件拼合完成后，再从“scan2”中拖入另外的2-3个站点文件进行拼合，以此类推，最终完成所有拼合作业；

③布置扫描。注意使用云际模式。选中倾角仪，并将其余所有的传感器关闭。在云际模式中将其二次抽样调整至0.08左右；

④开始拼合。每次平和完成后需要检查一次角度，然后开始更新扫描；

图3 不同的站点拼合过程

图4 添加色彩后的三维视图

⑤扶正视图，并创建点云扫描。首先选定参照面，然后定义参照面，并以此为标准将图像扶正；

⑥添加色彩，形成三维视图浏览；

⑦裁剪视图，创建裁剪框，至此形成.pts格式文件；

⑧由于.pts格式的文件无法直接被如CAD等的制图软件所识别，因此需要将.pts文件导入Autodesk ReCap软件进行二次导入，转换成可供CAD软件操作的.rcs格式的文件。

2.3 图纸绘制

①打开CAD软件，更改操作单位单位，并添加.rcs文件。使用裁剪框剪出每个需要操作的部分；

②在改变其透明度的前提下，通过转换不同的视角对影像资料进行绘制；

图5 使用CAD对图纸影像资料进行图纸绘制

③在绘制完成后，通过隐藏.rcs格式文件检查绘制的效果。

3 3D激光扫描技术成果结论

3D激光扫描技术是近年来刚发展起来的一项高新技术，本文通过对传统村落锦江木屋村进行扫描测绘，数据整理，有效证实了通过3D激光扫描技术可以将有待保护的传统村落进行留存，在得到精确的图纸之后，便可十分直观的提取出各种希望得到的数据，如平面或线性距离、角度、半径、体积和断面等。用于后续的研究，为后续对建筑的研究提供了可靠的支持。

图6 实景图片与扫描结果

图7 对比数据整理成果