三維激光掃描技術(shù)在古建筑建模中的應(yīng)用.doc

三維激光掃描技術(shù)在古建精細(xì)建模中的應(yīng)用 摘要 ： 近幾年三維激光掃描技術(shù)在古建筑外觀及內(nèi)部的測量、保真，虛擬模型的建立，資料的保存等方面為越來越多的人所關(guān)注。本文以南京大鐘亭的三維建模過程為例，闡述三維掃描在古建建模中的應(yīng)用流程及注意事項。 1.概述大鐘亭建于明洪武十五年（1382年），明亡后內(nèi)部陳設(shè)多已散失?，F(xiàn)樓基是明代原建，樓上建筑為晚清重修。大鐘亭位于南京市鼓樓廣場東北角，亭為重檐六角攢尖頂，灰筒瓦屋面，高13.29米（從亭座上到亭頂）。本次掃描使用leica ScanStation c10掃描儀. 該儀器可以連續(xù)、自動、快速采集目標(biāo)物表面的坐標(biāo)和顏色屬性，使得快速獲取結(jié)構(gòu)復(fù)雜、極不規(guī)則場景的三維模型及紋理映射成為可能。2原始數(shù)據(jù)采集大鐘亭周圍樹木植被較多，綜合考慮后設(shè)置了10處標(biāo)靶，4個站點。其分布如圖所示。數(shù)據(jù)采集過程中符合以下四點要求。標(biāo)靶布設(shè)分布均勻，可以使標(biāo)靶很好地對整個場景進(jìn)行控制，以提高掃描精度;保證了對任意測站有至少3個標(biāo)靶與其通視。架設(shè)站點，使每個測站都能最大范圍掃描到目標(biāo)場景，盡量避免出現(xiàn)掃描死角。點云數(shù)據(jù)采集時，為方便表達(dá)出細(xì)部紋理，使用較高分辨率以獲取更多采樣點。leica ScanStation c10掃描儀可預(yù)設(shè)四種精度的分辨率，考慮到大鐘亭的結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜、不規(guī)則，綜合時間因素，使用高分辨率以獲取較多采樣點。在場景中測站到有效采樣點最大距離為14.32米，采樣點最大間距為3.5mm。為了更真實的表現(xiàn)古建的色彩，使用了索尼DSC-HX9對大鐘亭各個角度拍攝照片，以方便數(shù)據(jù)處理時貼圖使用。 站點標(biāo)靶分布圖3點云數(shù)據(jù)處理點云數(shù)據(jù)的處理主要包括點云的拼接，去噪。 點云的拼接方式在實踐中主要有三個途徑。其中通過特征點拼接誤差較大，通常是在其他方法不足時的一種補(bǔ)充手段；標(biāo)靶拼接使用較多，也靈活方便，適合相對較小的場景拼接，很方便獲得統(tǒng)一的獨立坐標(biāo)系。而通過控制點進(jìn)行拼接適合較大場景，可獲取絕對坐標(biāo)，但前提要求設(shè)站前布設(shè)控制網(wǎng)。大鐘亭場景在100米之內(nèi)，適合使用標(biāo)靶拼接。使用cyclone軟件可進(jìn)行自動拼接，軟件自動根據(jù)標(biāo)靶號完成拼接，且精度高，拼接精度通常在3mm以內(nèi)。此次標(biāo)靶拼接精度表如下圖所示： 點云的去噪是通過人工手段將沒有掃描到目標(biāo)場景上的雜點剔除，如遮擋的植被等。此外對目標(biāo)場景表面超出限差要求的點也可以剔除。如通過geomagic中的刪除體外孤點可以實現(xiàn)。大鐘亭的去噪主要是去除植被等遮擋物上的雜點。 去噪后點云4三維模型的建立在建模中通?？梢灾苯釉赾yclone中擬合出一些規(guī)則的形狀，如平面、圓球形、標(biāo)準(zhǔn)工字鋼。這些適合較為規(guī)則的場景，如現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)建筑。大鐘亭模型復(fù)雜且極不規(guī)則的，經(jīng)分析這種方式不適合大鐘亭建模。使用geomagic逆向工程軟件對處理后的點云進(jìn)行封裝，然后繪制輪廓線，構(gòu)造柵格，最終擬合出復(fù)雜的nurbs曲面。這種方法適合于表面較為光滑的場景，如雕塑等，不適合大鐘亭飛檐翹腳，銳利邊緣的表現(xiàn)，因此也不適合大鐘亭的建模。在cad中用線條參照點云描繪出建筑的輪廓及骨架線、特征線，然后導(dǎo)出到3dmax等建模軟件中建模。這是一種自動化程度低，手工參與多，耗時費(fèi)力的一種建模方式。但同時，這也是一種適應(yīng)性最廣的一種建模方式。經(jīng)分析：選擇使用這種建模方式能夠?qū)崿F(xiàn)大鐘亭的建模要求。萊卡公司提供的CloudWorx是一種CAD插件，可以實現(xiàn)點云在CAD中的顯示隱藏及捕捉，以方便線條的描繪。三維建模的目的是為了獲取古建的真實三維尺寸，這種方法最大的難點在于如何依據(jù)點云準(zhǔn)確的描繪出模型的特征線，從而保證所建模型的精度。 真實照片 模型渲染圖 5.結(jié)束語 三維激光掃描技術(shù)在古建保護(hù)中的應(yīng)用還有很大的空間去開發(fā)。點云數(shù)據(jù)密度大，數(shù)據(jù)量多，要從中提取出高精度信息還需要進(jìn)一步的研究。模型的優(yōu)化和精度的分析還需要迎接更多，更多的挑戰(zhàn)。 原始數(shù)據(jù)采集主要包括標(biāo)靶布設(shè)架設(shè)站點點云數(shù)據(jù)采集紋理數(shù)據(jù)采集四個方面。151.034103,62323.35211.847參考文獻(xiàn) 文永俊等.三維激光掃描技術(shù)在