激光扫描技术在中国古代建筑精细测绘中的应用——以西安钟楼三维建模及精细测绘项目为例

李晓华 张 茹

(中煤航测遥感集团有限公司, 陕西 西安 710199)

0 引言

古代建筑作为中国古文化遗产保护的重点对象,具有独特的建筑格局和深厚的文化底蕴,是我国古代劳动人民的智慧结晶,更是中国几千年古文化的历史积淀。但是,随着朝代的更替,岁月的洗礼,以及自然和人为破坏等因素的影响,许多古建筑文物不断地遭到侵蚀、损坏甚至是灭失。因此,对古代建筑的保护、修缮、重建、展示、研究等,是古建类文化遗产工作者的天然使命。

在进行古建筑及相关文物保护工作中,对古建筑本体进行测绘是必不可少的一项重要的基础工作。但是,中国的古建筑形制多样、结构复杂、工艺精巧,采用传统的人工丈量等测绘方法,测量效率低、测量成果的精度和效果差,特别是一些隐蔽区域或人难以抵达的区域,采用传统的测量方法根本无法进行。

三维激光扫描具有非接触性、快速、高精度等优点而被广泛应用,特别是在古建筑文物精细测绘领域。利用三维激光扫描技术开展古建筑的精细测绘,不但可以为古建的保护和修缮提供准确的基础数据,还可以为这些文物瑰宝保留一份最真实、最全面、最原始的数据记录,对古建筑文物的保护修复或重建等工作具有重大意义。本文以一个非常具有代表性的中国古建筑——西安钟楼的三维激光建模及精细测绘项目为案例,详细论述了三维激光扫描用于中国古建精细测绘的技术流程、作业特点、成果形式和优缺点等,以期为从事古建保护测绘工作的工程技术人员提供借鉴。

1 项目背景

西安钟楼位于中国陕西省省会西安市古城中心,是西安市的标志性古建筑,全国重点文物保护单位。为更好地研究、保护、修缮钟楼,相关部门希望能通过精细测绘获得一套完整、精确、全面、真实的数字化模型和图纸,能够准确表达钟楼的整体外观和形态,建筑结构、装饰和艺术风貌等。经过科学地比较和选择,决定采用三维激光扫描(Light Detection and Ranging, LiDAR)测绘的方式进行此项工作。

2 古建筑激光扫描测绘的技术路线

为获取到高质量的点云数据,生成高精度的三维模型,要按照标准化的数据获取处理流程来获取处理数据,数据处理一般分为三个部分:扫描前准备阶段、扫描阶段和数据处理阶段。扫描前准备阶段包括测区踏勘、制定扫描实施方案、设备和人员准备。扫描阶段包括架设扫描仪、安放标靶,设置扫描参数、拍照并选择扫描区域,完成各测站扫描工作。数据处理阶段包括点云拼接、点云去噪、三维建模和数据应用。西安钟楼三维激光扫描建模及精细测绘工作的技术路线如图1所示。

图1 古建激光扫描测量工作技术路线图

3 数据采集及处理

3.1 数据采集

3.1.1激光数据获取

三维激光扫描具体作业采用分站设点独立扫描,各站点扫描数据之间保持一定比例(不少于30%)重叠的原则,所有能扫描到的数据都尽可能采集。首先,采用全站仪对钟楼整体进行控制测量,并准确测量标靶(特征点)[3],用于后续的点云拼接工作;其次,采用三维激光扫描仪进行钟楼建筑本体各部分的扫描。本项目采用的三维激光扫描仪是Z+F公司的IMAGER5006i,采用的照相机是Canon公司的EOS 5D Mark II单反数码相机,具体参数如表1所示。在钟楼外部及楼体内共设扫描站75站,扫描点位精度小于3 mm,点间距小于10 mm。

表1 IMAGER5006i三维激光扫描仪技术参数表

3.1.2纹理数据获取

在扫描作业的同时,对建筑本体及各部分进行彩色摄影,作为编辑处理点云的参考和三维模型的贴图纹理。本项目采用高分辨率数码相机,采用先整体后局部的方法,以垂直角度对钟楼的各个角落进行拍摄,拍摄时相邻照片保证一定的重叠,保证能拍摄到文物的细节,最大限度地避免后期对图片的二次处理。

3.2 数据处理

数据处理包括点云数据处理和纹理数据处理。

3.2.1点云数据处理

因每一站点云数据都存在大量的噪点,且需要将不同测站的数据拼接融合为一个整体,因此,数据检查完成后需对点云数据进行去噪、拼接等处理工作。

(1)扫描点云去噪

多种因素都会产生噪声数据,本项目激光扫描过程中的噪点主要来源于楼体周围的工人和车辆、施工脚手架、修缮楼体时所用工具材料及产生的废弃物等,这些噪声对后续的建模精度影响较大。因此,必须在建模前进行点云数据的滤波去噪处理。

对于比较明显的噪点数据,例如空中飘浮点或特别突起点,这些点一般都是孤立于古建本体点云数据之外,可采用手工方法进行删除。对于那些贴近本体的噪点,则需要将点云数据导入到Geomagic软件中进行滤波操作以去除噪点,使扫描对象的点云整体连续且平滑。点云去噪前后如图2所示。点云特征拼接前后如图3所示。

图2 点云去噪对比

图3 点云特征拼接对比

(2)扫描点云拼接

不同扫描测站的点云拼接主要利用空间相似变换原理,以确定的主站为基准,通过标靶和扫描重叠区域的特征点、线、面等,对剩余的各站点云顺序进行拼接和调整。拼接后的数据融合为一个整体,所有的点云数据转换到统一的坐标系中,这项工作称为点云数据的整体配准。配准分为粗配准和精配准。

粗配准时,使用主元成分分析(Principle Compoent Analysis, PCA)减少数据集的维数,同时保持数据集对方差贡献最大特征。

精配准中常用的方法是迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法,原理是通过点云的不断迭代,找到欧式距离最近点作为对应点,使目标函数最小化。

本项目点云拼接采用的是特征拼接和点云匹配相结合的方法。第一步,进行特征拼接。选取点云中多对同名特征点进行配准,首先使点云大致拼接成为一个整体如图3(a)所示;第二步,进行点云匹配,就是利用迭代最近点(Iterative Closest Point, ICP)算法进行点云精确配准。经过特征配准后相邻的两测站间的点云位置已经相当接近,这样在开始利用ICP算法进行精确配准时,算法就可以在很小的范围内进行搜索相应的同名点,大大加快ICP的收敛速度,从而提高点云配准的速度和精度[4]。最终,点云整体拼接的误差均在3 mm以内。拼接处理后的点云如图3(b)所示。

3.2.2纹理数据处理

为使建筑模型更加逼真,需通过现场拍摄取得纹理原始图像,并经过后期处理得到更加真实的纹理,将纹理通过软件映射到三维实体上构建照片级真实感三维模型。然而纹理数据在采集时会出现角度不对、遮挡、光线差、色调不均匀等问题,不能直接作为纹理图片进行贴膜,在专业软件中进行扭曲、匀色等处理后,用于三维建模。

4 模型

在对扫描采集的点云进行各项处理后,通过点云模型就可以看到被扫描物体的大致轮廓等结构属性。但是,点云模型实际上还是一个离散点集合,不逼真,不直观。因此,还需要对点云模型数据进行网格化处理[5],使被扫描物体形成一个完整的、直观的表面模型。

4.1 三维模型构建

西安钟楼本体的构成主要分为两大类:第一类是有规则表面的构件或组件,即形状比较简单规则的结构,例如台阶、墙体等;第二类是不规则表面构件或组件,即对象本身的形状比较复杂,例如:斗拱、浮雕、脊兽等。

三维实体重建包括提取轮廓线、三维几何建模和纹理贴图三个步骤。首先提取轮廓线。轮廓线的提取可以借助于AutoCAD软件,也可以编程或借助于点云处理软件或三维建模软件来完成。其次,构建三维模型。将处理好的点云模型数据导入到Geomagic软件中完成Nurbs曲面构建,对各种不规则的构件进行模型构建,完成后将其保存为obj格式的文件。将形成的obj文件导入到Maya软件中进行完整的模型重建。最后进行模型的纹理映射。在三维动画渲染和制作软件(three-dimensional Studio Max, 3D MAX)或其他三维软件中进行纹理贴图,最终得到钟楼完整的数字化表面模型。纹理映射是将预先采集的纹理数据按照某种映射算法覆盖到文物三维模型的表面,创建纹理数据与文物模型的拓扑对应关系[6-7]。模型的纹理数据一般来源于扫描时获取的文物影像数据,也可来源于文物激光点云的红绿蓝三色(Red，Green，Blue, RGB)值[8-10]。三维模型渲染图如图4所示,模型细节如图5所示。

图4 钟楼三维模型彩模渲染图

图5 钟楼模型细节图

4.2 模型精度评定

三维模型建成后,采取现场量测建筑本体结构或组件尺寸与对应的模型尺寸进行对比的方法,来检验模型的数学精度。现场检验测量采用钢尺或手持激光测距仪进行,每个长度由三名不同人员各测量一次,取其平均值作为实测结果。检验现场共量取了20个不同的长度数据,经对比计算,得到这20组检验数据的中误差为0.789 cm,如表2所示。

表2 模型精度评定

5 精细测绘和制图

在构建完钟楼楼体的三维模型后,根据楼体中一些重要部位的线性特征及楼体的整体轮廓,依据中国古建筑物测绘成图的规则要求,即可在三维模型上进行精细测绘作业。精细测绘成图的主要内容包括平面图、立面图、剖面图、仰视图、俯视图、矢量线描图等。

5.1 平面图

本次西安钟楼测绘一共绘制了基台平面图、一楼平面图、一楼藻井平面图、二楼平面图、二楼藻井平面图等多幅平面图。部分平面图如图6所示。

图6 平面图

5.2 立面图

本项目按南、北等方向分别绘制了钟楼整体立面图。南、北立面图如图7所示。

图7 立面图

5.3 剖面图

根据西安钟楼的建筑形制,绘制了东西剖面图。具体如图8所示。

图8 钟楼东西剖面图

5.4 大样图和线描图

中国古建筑结构复杂、做工精巧,各种装饰繁复,精细测绘需要对一些特征部件进行精细准确的绘制,例如斗拱、脊兽、门窗、藻井、雕刻、壁画等。这些部件的形体一般较小,但造型或结构复杂,一般需要采用较大的成图比例尺。

5.4.1斗拱大样图

斗拱是中国建筑特有的一种结构。一般,凡是非常重要或带纪念性的建筑物,才有斗拱的安置。斗拱的形制多样,结构复杂,通常需要从不同视角分别绘制大样图。具体如图9所示。

图9 斗拱大样图

5.4.2门窗大样图

中国古代建筑多以梁柱木结构为主,墙体一般不承重,所以廊柱内柱与柱之间一般安装格门或格扇代替墙面,多为六扇或八扇,既通风、采光、装饰,又与外界隔断。具体如图10所示。

图10 一楼门扇大样图

5.4.3脊兽线描图

脊兽一般指殿宇屋顶的吻兽,是一种装饰性建筑构件。具体如图11所示。

图11 脊兽线描图

5.4.4浮雕线描图

西安钟楼的门扇槁窗雕镂精美繁复,表现出明清盛行的装饰艺术。每一层的门扇上均有8幅浮雕,一共64幅。每一幅浮雕均蕴含了一个古代典故。

6 激光扫描古建测绘的优缺点

古代建筑大多具有唯一性、脆弱性、不可移动等特性,所以,古代建筑精细测绘是一项非常严谨且烦琐的工作。通过西安钟楼的激光扫描精细测绘项目,我们发现在古建文物精细测绘中,三维激光扫描技术相对传统测绘有很大的技术优势,但也存在一些缺点和不足之处。

6.1 技术优势

(1)对古建本体影响小。在数据获取时,三维激光扫描的非接触扫描可以避免人为接触古建本体而造成对古建筑物的不利影响或损坏。(2)可以准确获得各种复杂形状或不规则曲面。古建筑物一般都带有不规则曲面特征,传统的测量手段一般很难将其完整记录下来,利用三维激光扫描技术可以高精度地以非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines)曲面的形式表达其相应特征。(3)测量效率高。三维激光扫描仪每秒可以采集数十万甚至数百万个点,与传统测量方式相比具有数据采集速度快,效率高的特点。(4)测量精度高。古建筑测绘工作一般需要较高的测量精度,三维激光扫描技术具有亚毫米级的扫描精度和毫米级的建模精度,完全可以满足一般项目的精度要求。(5)数据成果丰富。目前的三维激光扫描仪大多都配置有照相机,可以在扫描的同时获得影像数据。后期可以建立三维模型,制作动画,测绘各种平面、立面、剖面图。

6.2 技术缺陷

(1)由于中国古建结构复杂,利用三维激光扫描技术对古建筑进行测量时会存在大量无法扫描的或扫描不到的区域,从而造成对应区域的点云数据缺失,对点云拼接和数据拟合产生不利影响。(2)三维激光扫描设备昂贵,扫描的数据量大,后期处理时间长,对数据处理人员的技术要求高,导致作业成本较高,在经费有限的情况下难以实施。(3)扫描用的激光对一些敏感文物具有损害性,例如壁画等,这在一定程度上限制了该技术的应用领域。

7 结束语

本文通过分析与研究三维激光扫描测量技术在西安钟楼三维建模及精细测绘项目中的应用,确定了该技术应用于古建测量的技术流程和关键环节。通过钟楼三维模型的构建和精度评定,证明了三维激光扫描技术具有较高的测量精度。通过模型绘制了各种古建平面图、立面图、剖面、大样图、线描图等,充分展示了该技术测绘成果的丰富性。最后,详细分析了三维激光扫描技术在古建筑测绘应用中的优点和缺点。通过高精度、永久性的保存这些数字信息,对恢复和传承其文化和艺术价值在世界范围内的应用和研究都具有重要意义。