重慶羅漢寺文物保護(hù)工程中激光掃描技術(shù)的運(yùn)用分析論文
0 引 言
三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的測(cè)繪新技術(shù)，它與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比具有明顯的優(yōu)越性。它可以在短時(shí)間內(nèi)采集海量的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)量精度很高。形成的點(diǎn)云，可以進(jìn)一步處理構(gòu)建目標(biāo)三維模型，真實(shí)再現(xiàn)目標(biāo)面貌。三維激光掃描技術(shù)在地面景觀形體測(cè)量、復(fù)雜工業(yè)設(shè)備測(cè)量與建模、建筑與文物保護(hù)和城市三維可視化模型建立等各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用。
重慶羅漢寺是全國(guó)漢族地區(qū)重點(diǎn)佛教寺廟之一，始建于北宋治平年間，至今已有近千年的歷史。因?yàn)榱_漢寺建筑時(shí)間久遠(yuǎn)，其建筑因破損需要維修，而大部分建筑均無(wú)建筑圖紙等資料及數(shù)據(jù)。因此，本項(xiàng)目采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)羅漢寺內(nèi)主要建筑物進(jìn)行三維掃描測(cè)量，獲取建筑物頂高及建筑主體輪廓的精確尺寸，建立三維仿真系統(tǒng)，留下寶貴的歷史檔案。
1 三維激光掃描儀和相關(guān)軟件介紹
1. 1 三維激光掃描儀 VZ - 1000
本項(xiàng)目采用的是奧地利 RIEGL 公司的最新一代激光掃描儀 VZ -1000 三維激光掃描儀。該儀器由高精度、長(zhǎng)距離三維激光掃描儀和高分辨率的數(shù)碼相機(jī)組成。VZ -1000 三維激光掃描儀最遠(yuǎn)掃描距離可達(dá) 1 400 m,測(cè)量精度優(yōu)于 5 mm,建模精度優(yōu)于 2 mm,并且該儀器配有云臺(tái)設(shè)備可以采用不同傾角對(duì)建筑進(jìn)行掃描。
1. 2 相關(guān)軟件介紹
1） RiSCAN PRORiSCAN PRO 是三維激光掃描儀 VZ 系列的自帶軟件。用戶(hù)可以用 RiSCAN PRO 軟件配置傳感器參數(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存檔等操作。
2） Geomagic Studio由美國(guó) Raindrop （ 雨滴） 公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件 GeomagicStudio 可輕易地利用掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根據(jù)任何實(shí)物零部件自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。
2 建筑物數(shù)據(jù)采集方法
運(yùn)用三維激光掃描儀對(duì)羅漢寺內(nèi)主要建筑物及羅漢（ 塑像） 進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集。由于建筑物造型復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取困難，因此需要進(jìn)行多站掃描，同時(shí)配備“云臺(tái)”設(shè)備獲取整體數(shù)據(jù)。
羅漢寺的數(shù)據(jù)采集復(fù)雜多樣，其內(nèi)建筑物多、密度大，同時(shí)由于景區(qū)人數(shù)多、客流量大，為了保證掃描效果和工作效率，掃描采用“粗掃”和“精掃”相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。“粗掃”時(shí)采用 360°的掃描方式進(jìn)行，掃描距離設(shè)置為 450 m,采樣間隔設(shè)置為 100 m 處 0. 05 m,掃描一周時(shí)間為 2 min.“粗掃”目的是為了獲得測(cè)站四周建筑物整體的輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)�！熬珤摺睍r(shí)采用選擇特定區(qū)域，掃描距離設(shè)置為 450 m,采樣間隔設(shè)置為 100 m 處0. 02 m方式進(jìn)行，“精掃”目的是為了獲得主要建筑物的重要區(qū)域的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用“粗掃”和“精掃”相結(jié)合的作業(yè)方式，保證了掃描數(shù)據(jù)滿足工程精度要求，同時(shí)盡可能提高了工作效率。
由于需要測(cè)量羅漢寺內(nèi)主要建筑物的頂高數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用了“云臺(tái)”測(cè)量工具，該工具可以在垂直方向上從 0° ~90°進(jìn)行變化，把激光掃描儀架設(shè)在該“云臺(tái)”上，通過(guò)“云臺(tái)”的角度變化進(jìn)行傾斜掃描。采用“云臺(tái)”技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，與常規(guī)掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)要求一致，主要采集了建筑物頂部數(shù)據(jù)。
為了使建立的三維模型真實(shí)及紋理清楚，在三維數(shù)據(jù)獲取時(shí)，采用專(zhuān)用相機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)。為滿足三維仿真系統(tǒng)建設(shè)的需要，對(duì)未獲取影像的區(qū)域，采用單反相機(jī)單獨(dú)拍攝。
3 建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法
3. 1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
采用三維激光掃描儀配套數(shù)據(jù)處理軟件 RISCANPRO,對(duì)多次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，其拼接精度達(dá)到 2 cm.
由于羅漢寺內(nèi)建筑物繁多，分布密集。整體瀏覽和處理都不方便，為了更快捷、清楚地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要對(duì)羅漢寺整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪。通過(guò) RISCAN PRO 軟件的裁剪功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的裁剪，獲得羅漢寺內(nèi)主要建筑物的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
由于原始掃描的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒(méi)有顏色信息，瀏覽和處理并不直觀，僅僅依靠激光點(diǎn)云對(duì)物體進(jìn)行三維建模是不夠的，缺乏對(duì)表面紋理特征的有力表達(dá)，因此，采用影像匹配技術(shù)對(duì)點(diǎn)云賦予顏色。
3. 2 建筑物特征提取方法
通過(guò)三維激光掃描獲得羅漢寺建筑物數(shù)據(jù)是三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物而言，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)是建筑物各重要部位的輪廓線數(shù)據(jù)，建筑物輪廓線數(shù)據(jù)也是其設(shè)計(jì)、修復(fù)、建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，需要對(duì)羅漢寺的主要建筑物的輪廓特征進(jìn)行提取。將整理好的羅漢堂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入自主研發(fā)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該程序主要包含點(diǎn)云電力線提取、點(diǎn)云斜坡提取、點(diǎn)云特征提取、點(diǎn)云線地物搜索等用于地形處理的功能。
運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理程序相關(guān)功能，提取建筑物的外圍輪廓線、屋脊線等。通過(guò)軟件提取，最終得到羅漢寺主要建筑的特征線如圖 1 所示。
基于對(duì)文物保護(hù)需求，需要采集羅漢寺內(nèi)各建筑頂部的準(zhǔn)確高程數(shù)據(jù)。此前地形圖測(cè)量時(shí)，受條件的限制，只采集了部分建筑的頂部高程數(shù)據(jù)，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)中涵蓋了所有的建筑物頂部高程數(shù)據(jù)，采用 RISCAN PRO 的點(diǎn)特征提取功能，提取所有高程數(shù)據(jù)。與常規(guī)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同部位高程差最大值為 12 mm.
3. 3 精細(xì)模型制作
對(duì)采集的羅漢（ 塑像） 進(jìn)行精細(xì)模型制作。模型制作時(shí)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取特征線，匹配現(xiàn)場(chǎng)采集的.影像資料，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、裁剪，獲取羅漢（ 塑像） 的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Geomagicstuido 點(diǎn)云建模軟件進(jìn)行精細(xì)建模處理，先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，通過(guò)封裝使點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成空間三角網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，對(duì)空間三角網(wǎng)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)洞、平滑、修復(fù)等優(yōu)化處理，得到羅漢（ 塑像） 精細(xì)三維模型。該三維模型為后期維修等留存寶貴的歷史數(shù)據(jù)資料。
3. 4 三維仿真系統(tǒng)建設(shè)
根據(jù)前述各工序獲取的地形圖、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等資料，利用三維建模軟件 3DS Max 或 CREATOR 等進(jìn)行模型制作并貼上真實(shí)材質(zhì)。采用自主研發(fā)的集景-三維仿真平臺(tái)建立羅漢寺三維仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的快速瀏覽漫游，建構(gòu)筑物的快速查詢(xún)和三維定位等。系統(tǒng)中保留羅漢寺詳細(xì)的歷史信息，留下文物的詳細(xì)歷史檔案，為后期管理提供一個(gè)直觀、科學(xué)的平臺(tái)。如圖 2 所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文采用三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于重慶羅漢寺文物保護(hù)工程，通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，對(duì)建筑物進(jìn)行輪廓特征提取，構(gòu)建精細(xì)三維模型，建立三維仿真系統(tǒng)，為羅漢寺的文物和建筑留下了寶貴歷史檔案，為后期維修等工作提供了依據(jù)。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施為三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑的數(shù)字化保護(hù)探索了一條可行的技術(shù)路線。（圖略）
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