三维视野下的古建筑室内外点云配准及建模方法探究

崔晓磊 杨晓波 李登科

摘要：我国古代建筑文化遗产有着悠久的历史、丰富的内涵和瞩目的成就，为防止自然灾害和现代化进程的破坏，数字化保护是古建筑保护和修复的好办法。以咸阳钟楼的数字化过程作为案例，利用三维激光扫描仪对其进行实体扫描，通过去噪、配准、切割等方法得到钟楼完整的室内外三维点云，获得其完整准确的的三维数据信息，并在此基础上进行三维建模和贴图，探索了古建筑室内外三维数据收集和三维建模数字化保护方法，为古建筑数据留存、保护、修复及展示提供了一些借鉴。

关键词：三维激光扫描；古建筑；点云配准；三维模型

中图分类号：TP319文献标志码：A

基金项目：西藏民大教学团队项目“数字媒体设计与创新教学团队”；西藏高校教改项目“数字媒体技术专业特色实践教学体系构建研究”。

0引言

古建筑是欣赏一个国家传统文化魅力的窗口，是探索一个国家古代科学技术成就的重要渠道。我国古代建筑文化遗产有着悠久的历史、丰富的内涵和瞩目的成就，但因大多数已经历上百上千年自然灾害的侵害，加之现代化城市建设的发展使得现存很多古建筑的保存情况令人担忧，古建筑的保护工作便显得尤为重要。

如何避免巴黎圣母院事件再次发生，以及在灾难和事故发生后如何将对古建筑文物造成的损失降到最小，科技的发展使人们将目光投向了数字化技术。过去人工测量绘制记录的传统修复方法不仅完成精度低，且过程耗时费力，更可能会因为过度接触而造成古建筑“二次伤害”。而作为测绘领域的新技术，三维激光扫描技术具有速度快、精度高、非接触等特点，通过发射激光即可快速获取建筑物体的三维数据，在古建筑数字化保护方面具有极大的优越性。出于对古建筑的保护的立足点，本论述以钟楼建筑为案例，利用三维激光扫描技术，精确记录其建筑的三维数字信息，并通过扫描生成的三维点云数据与现场拍摄的照片，为钟楼建筑全景及内外部结构建立了三维模型，为古建筑数据留存、保护、修复及展示提供了一种可行性方案。

1技术原理及数字化流程

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，通过高速激光扫描测量的方法得到三维点云。原理为三维激光扫描仪发射激光经由自然物表面反射进行测距，配合扫描的水平和垂直方向角，得到每个扫描点的三维坐标，快速建立物体的三维影像模型。

而利用三维激光扫描技术进行古建筑三维数字化主要包括：图像点云数据采集、点云数据处理、三维模型创建三大流程。其中建筑点云数据通过Trimble TX5三维激光扫描仪进行扫描采集，之后通过与之配套的Trimble RealWorks软件对数据进行处理，再通过3ds Max、SketchUp等建模软件对古建进行三维构建，最后进行贴图完成古建筑三维模型，技术流程如图1所示。

2点云数据获取及处理

2.1点云数据获取

咸阳钟楼始建于明万历年间，清道光中期重修，三层主体，下方有通道，基座四門，重檐二层。类似于钟楼的古建筑大多建设年代久远，多为木制所建，经过多年风吹雨淋，多处墙体和房屋斑驳损落。本次建筑的三维数据扫描采用Trimble TX5三维激光扫描仪，它以976 000 dpi/s和最佳120 m的测程进行测量，系统集成，通过千百万次测量可得到七千万像素照片级精细三维彩色点云影像。同时搭配数码相机对咸阳钟楼各个角度进行拍摄，后期用来对模型进行纹理贴图。

按照建筑空间尺寸规划架设测站，通过多站扫描来实现对历史建筑的全方位数据采集，共设置十五个测站形成闭合环型控制网，分为室内测站和室外测站两部分，且每相邻两测站间保证不低于10%的扫描重合度，但扫描站点注意不能过近，否则点云太密数据过大，同时也会增加扫描站数拖长外业操作时间，根据Trimble TX5三维激光扫描仪在无遮挡情况下有效距离 120 m内，保证站与站在有效重叠率情况下合理架站，具体测站布设如图2所示。同时由于该建筑是旅游观赏对象，故扫描时间应选择在游客密度相对较少，遮挡相对小的时候进行。

2.2点云数据处理

在对建筑三维数字化时，使用点云数据可真实地表现建筑的空间坐标、外部及内部具体形体特征，但三维激光扫描多站式的扫描方式使得每一站的数据都有自己独立的坐标系统，因此还需要对数据进行处理。利用Trimble RealWorks软件对点云数据进行预处理，完成数据的导入、配准、整体切割等过程。

点云配准是指将多站数据拼接，建立统一的坐标系统这一过程。作为三维建模前的基础工作，点云的配准精确度决定了三维重建的坐标系和尺度精度。通过Trimble RealWorks软件利用两侧站的公共靶点（即两个测站在重叠区域）对目标进行配准，本次扫描测站数共计十五个，若想得到全方位的整体点云，就必须将十五站有相当重叠度点云数据进行配准成一个整体。

配准的前提是要将点云数据导入与扫描仪配套的软件Trimble RealWorks软件中，按照扫描测站顺序将多站数据导入。未配准前站点散乱，空间坐标系并未统一。将数据导入软件后，选择“基于点云的配准模式”，每连续相隔两站作为配准对象，在两测站中选择3对对应的公共靶点，并加以公共点、公共面为约束条件，系统将根据所选择公共靶点自动识别完成点云配准，最终将站间配准精度控制在4 mm以内，点云拼接结果如图3所示。

2.3古建筑点云数据的室内外配准

建筑模型构建大多为室内和室外两部分整体独立建模，这种情况下室内模型在位置、坐标上不容易和室外整体建筑对应，这样的建筑模型并不是一个整体完整的模型，特别是对室内的三维点云数据造成了极大的浪费，将室内外点云配准后可加以应用。

在本次布设测站阶段时，已将室内和室外一起设站。为了方便后期室内外点云配准，要为室内外设置好能够扫描的共同靶点，门窗作为连接室内外的区域通常可作为共同的靶点选择。同室外点云配准一样，室内外数据配准时，要将2个测站的重叠点云配准成一个整体数据。选择室内和室外两站点云作为配准对象，选择“基于点云的配准模式”，选择门窗部区域作为配准靶点，并把门窗外同一栏杆加为约束条件，完成点云配准，如图4所示。两站配准后俯视图、正视图、侧视图如图5所示，室内外两站点云楼顶对角线横梁配准后在一条直线上，说明配准完成且准确。

2.4点云整体切割

在点云数据采集阶段，由于三维激光扫描仪范围大，将咸阳钟楼建筑广场上的游客、树木花草，以及周围商铺建筑整体扫描，导致点云数据过大，且多是无用冗余数据。这需要对点云进行整体切割，只切割留下钟楼为本身的正方体点云，导出后以方便后期模型的制作。

3三维模型创建

三维模型的创建常用的有两种方式，一种是根据点云数据绘制出二维图纸，再根据图纸信息进行建模，这种方式利用是将点云数据信息导入CAD中，再从CAD的绘图功能中提取出相关的建筑特征线，进而得到古建的三维建模；另一种是直接根据点云数据信息建立三维模型，将点云数据直接导入建模软件，再由建模软件直接建模，建模软件可利用3dsMax、Sketch Up等。根据钟楼建筑的特点，建筑结构较为简单，且点云数据扫描处理十分精细，故本次采用第二种三维建模方法。

首先通过Trimble RealWorks、AUTODESK RECAP软件对点云数据格式进行转换。使其能够导入到建模软件中。将点云数据由“asc”格式通过索引扫描、启动项目等步骤经过“xyz”格式逐步导出为“rcs”、“rcp”格式。将处理完成后的数据导入3ds Max软件，根据计算机图形处理能力和个人需要选择显示的点云数，点云数显示越多则点云对象越清晰。

然后根据所导入点云数据制作三维模型。导入的点云数据已经给出了相应的位置和比例尺信息，在3ds Max软件中按照点云轮廓制作古建筑模型，就不会出现比例尺、坐标不统一的情况，模型构建如图6所示。对三维模型进行纹理贴图。为了使构建的古建筑三维模型具有真实感，需要给古建筑模型面片进行纹理贴图，将所拍摄的照片贴图在完成的模型上，同時可以通过图像处理软件Photoshop中对贴图图片处理修改，使模型表现效果更真实。

4结语

我国古代建筑文化遗产在多种因素威胁下，其保存现状令人担忧，古建筑的展示、修复、保护的数字化工作极其重要。三维激光扫描技术凭借着速度快、精度高、不需接触目标的优势，现已广泛用于古建筑保护、修复等方面。本论述以Trimble TX5扫描仪为依托，以扫描咸阳钟楼建筑为案例，通过对点云数据进行转换、配准、分割等处理，提供了一种精确高效的古建筑的室内外点云配准和三维模型构建方案，为古建筑三维数字化提供了一种难度小、要求低、速度快的实现方法。

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