三维扫描技术在国图古籍馆测绘中的应用

李 龙 庞 蕾 张崇辉 李宝璇 李聪华 刘大源 孙金金

(北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院, 北京 100044)

0 前言

古建筑作为历史遗存,是祖先为我们留下来的宝贵财富,保护好这些财富,是我们这一代人的职责和义务。为了实现古建筑现状的保护性修缮,数字化工作必不可少。古建筑的测绘工作主要包括测量、采集、处理古建筑相关几何处理等,测绘古建筑的目的在于为古建筑保留最为原始的资料档案,因此进行这项工作需要较高的测绘技术,确保最终所得的测绘数据的精确性,使得最终的测绘成果具有实际应用意义[1],在后期进行古建筑修缮和保护过程中可以发挥更好的作用。三维激光扫描技术具有高精度、非接触特点,可以获得建筑物高密度三维点云,是目前古建筑修缮测绘中重要的技术手段,可以实现古建筑现状的三维可视化,建立精确详细的数字化档案。

1 古籍馆简介

国家图书馆古籍馆前身是清学部奏请筹建的京师图书馆,距今已有百年历史[2],馆藏古籍珍本丰富,建筑内部结构复杂。为了更好地修缮和保护古籍馆,避免馆内的古籍遭受不必要的损害,应当对图书馆的内外结构进行一个全方位的测绘,以便对整个建筑做一个全面的检测,为古建筑建立起与自身信息相符的完善档案,使得建筑修缮能够更加接近原来的风貌,更好地发挥古建筑的历史和社会价值[3]。

2 三维激光扫描技术在古籍馆测绘中的应用

2.1 三维激光扫描技术

古建筑测绘需要对其大小,空间位置和形状进行具体的测绘,采用测绘常规人工作业方法精度低,并且消耗大量人力物力财力,测量人员还需要不断地接触古建筑,对于古建筑本身而言具有一定的危险性且容易遭到损害[4]。

三维激光扫描技术的出现为获取空间三维信息提供了全新的技术手段,它克服了传统测量技术的局限性,采取了非接触、主动测量方式的测量方法。三维激光扫描技术还具备以下特点：数据采样率高,高分辨率高精度,实时性动态性,全数字采集,自动化程度高等优点[5]。因此,三维激光扫描技术改变了传统的作业方式,将大量的外业人工作业转变成了对建筑物点云进行自动化、高精度和非接触式的采集,并且单个点云的精度达到毫米级,避免了传统测绘方式的缺点,有利于保护古建筑不受损害。

2.2 技术流程

在古建筑物测绘中,地面三维激光扫描系统的总体工作流程(图1)包括技术准备与技术设计、控制测量、数据采集、数据预处理、质量控制和成果制作[6]。

图1 技术流程图

主要包括四个步骤：

(1)针对古籍馆的特点与精度要求,计划最佳作业路线与扫描仪的设站地点,确定相应仪器的参数(分辨率、扫描质量、扫描角度等)。

(2) 通过扫描获取原始点云数据,即点云数据的采集以及古籍馆内部外部结构信息的采集。单测站三维扫描,主要考虑扫描环境、范围、视角、扫描时间等因素,通过参数设置,进行三维激光扫描。当单站相关的采集数据工作完成无误之后,将仪器搬到下一测站,重复单站扫描工作。在新站扫描数据时需注意与前一个测站相同的工程文件名称、分辨率等特殊指标参数一致等。

(3)对三维激光点云数据处理时,不同的应用对象、不同点云数据的特性,点云数据处理的过程和方法也不尽相同,本项目三维点云的内业处理过程主要包括点云数据配准、点云数据滤波、数据缩减与数据分割、线画图制作等。

(4)点云模型构建以及成果输出(三维立体模型、二维数字线条图等)。

3 古籍馆测绘关键技术研究

3.1 基于控制点的由外向内施测方法

国家图书馆古籍馆是北京第一座大型近代图书馆的建筑遗存。古代建筑的特点恢宏大气,规模巨大,古籍馆就是一个超大的单体建筑,俯视为一座王字形建筑,有三栋主楼,另外有两个连廊连接起三个主体建筑,如图2所示。古籍馆藏书书架林立,空间狭小、结构复杂,不可移动等特点使得内部结构更加复杂,如图3所示。

图2 古籍馆俯瞰图

(a)书架图

古籍馆内部总共有四层,因此为了解古籍馆的整体构造,需要对古建筑内外都需要精准的测绘为后期修缮的需要提供良好的数据。

规模巨大的建筑需要进行近1 000次的三维激光扫描作业,为了能将这些海量的点云数据有序地进行拼接,采用了结合控制点和由外向内的顺序进行测绘的方法,用控制测量的方法进行定点,如图4所示,然后将基于踏勘选取的若干控制点首先将古籍馆外围的点云进行拼接,拼接好并且精度符合要求后再从古籍馆入口出发,依次向内延伸,进入古籍馆内部,最终完成所有站点点云拼接,见图5。由于内部结构十分复杂,所耗费时间量巨大,因此分为两个工作小组再对每层进行依次测绘扫描,在保证精度的同时加快工作进度[7]。

图4 古籍馆南立面入口处部分控制点

图5 古籍馆完整拼接后点云

3.2 ATRP点云拼接技术

辅助临时参考点(auxiliary temporary reference points,ATRP)点云拼接技术,是一种在没有布设球形靶标或平面靶标的情形下所采用特殊处理技术,是辅助以临时的灵活参考物作为同名像控点的一种技术,这项技术适合于在古建筑内部狭小空间中以及各种环境噪声(人员、车辆、树木等)过多的情况下采用较为适宜,如图6所示为古籍馆外围密集的噪声源示意图。

(a)光学影像

古籍馆为大型单体建筑,单体建筑最大的特点是贯通连接点较少,整个建筑为一个大的整体,并且外部环境复杂,受众多树木以及车辆等噪声的影响无法继续采用靶标作为同名像控点,但为了克服贯通连接点较少以及对点云进行精准拼接的困难,本研究提出了ATRP点云拼接技术,具体方法是将古籍馆外部有棱角的地方以及比较突出的可在施测过程中临时固定的位置作为临时像控点,或者在比较光秃无棱角无特殊标志物的墙面临时固定一个适中大小的特殊标志作为临时像控点,点云拼接时可以依据这些特殊位置进行精准拼接。

ATRP技术同样适用于古籍馆内部,由于该建筑内部架构十分复杂,分为地下一层和地上三层,有的书库地上为四层,并且在扫描书库时由于书架过多,书架之间距离太近,空间过于狭小,扫描仪与被测物距离过近等因素,导致三维激光扫描仪的扫描有很多死角无法测到,此时采取提出的ATRP技术就可以很好地对这些死角进行全方位的扫描,并且用此方法获得的点云在RISCAN软件中进行拼接时的精度极易达到毫米级,这再次证明了此技术的有效性。图7为采用ATRP技术拼接的部分区域的内外点云数据示意图。

(a)内部点云

3.3 数字正射图制作

古籍馆的建造完全采用中国传统建筑风格,建筑特点非常富丽,大窗采用琉璃材质,颜色鲜艳,富丽堂皇,是十分具有高贵典雅、礼正仪端的国风建筑[8]。彩绘是古建筑中必不可少的一部分,它不仅美观,而且还有一定的防水性,可以增加建筑物的寿命。这些十分精美的结构蕴含了中华民族五千年美学思想的精髓,在古建筑设计和施工中占据着极其重要的地位,直接影响着整体古建筑的形象,因此需要对这些结构进行正射并生成数字正射图[9]。

本研究采用的是佳能国行850D+18-55STM型号的单反相机进行正射采集,并且后期采用专门处理图片的PhotoScan软件进行单个区域的裁剪生成数字正射图,后期还可以制作数字线划图等产品,图8为琉璃瓦数字正射图以及琉璃瓦细节线划。

(a)正射图

4 点云数据在古籍馆修缮保护中的应用

点云数据除了作为古籍馆最原始的信息留存外,还有个主要作用就是为后期对古籍馆进行修缮保护的工作人员提供可靠的参考资料[10]。点云数据可以被制作成三维立体模型,进行古建筑的整体变形分析;也可以进一步制作成二维线条图(平、立、剖面图)、局部细节图等供技术人员进行尺寸量取或建筑物结构轮廓的勾绘。

4.1 三维立体模型建立

扫描获取的近1 000站点云数据通过RISCAN软件利用ATRP点云拼接技术生成立体三维模型总体精度在毫米级。图9为三维立体模型。

(a)南立面点云

4.2 二维数字线划图制作

古籍馆是一个超大单体建筑,内部结构复杂总共有四层,因此为了了解古籍馆的整体构造,需要对古建筑每层平面、外围每个立面、内部剖面分别绘制平面图、立面图、剖面图[11]。通过完整准确地进行测量并绘制二维线划图,可以准确地了解每个构造的具体位置,使后期修缮保护工作人员能够一目了然,掌握古建筑整体布局和环境,如图10所示。

(a)东立面数字线划

4.3 古籍馆结构细节图制作

要想对古籍馆进行全方位的修缮,只有大量的总览图是完全不够的,古建筑修复不仅注重整体的修复效果,且对各种各样的细节也要逐一进行测量并绘制成图,以便后期修缮古建筑时能够对建筑构造的细节方面处理的效果十分理想[12-14]。

5 结束语

在古籍馆测绘中,基于其测绘的最终目的,应当重视现代化测绘技术手段的应用,古籍馆是拥有悠久历史的,而其中的古籍更是无法用金钱衡量的瑰宝,采用如三维激光扫描技术的现代化测绘技术手段,可以达到非接触式测量的优点,将测量过程中对古籍馆的损坏可能性降低到零,此外还有高效率、高精度和多方位的优点。通过这些技术手段可以为古籍馆修缮、保护和利用提供重要的数据支持。