三维扫描技术在文物保护中的应用

三维扫描技术在文物保护中的应用

葛皓 杨国丽 辽宁宏图创展测绘勘察有限公司 辽宁沈阳市 110169

0摘要

随着测绘领域的飞速发展，三维激光扫描技术在不同领域得到了广泛应用，它通过非接触的测量方法对建筑三维实景测量，能获得物体表面点的三维坐标信息，直接取得原本物体表面的采样点，通过后期的内业数据整理、拼接等手段制作三维模型产品，通过三维模型产品制作平面图、剖面图、立面图及内部细节构造和Sketchup模型。

1引言

为了能真实客观的反映建筑物的原貌、技术档案保存、日后的修复、重建、记录建筑群的传统、特征、特点等，历史建筑和部分文化街区指定的建筑，我们采用三维激光扫描技术进行对建筑三维实景复制测量，此项技术采用非接触的测量方法，能获得物体表面点的三维坐标信息，直接取得原本物体表面的采样点，在激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据达到真实可靠，因此能满足对历史建筑测绘的要求。

2工作内容

历史建筑测绘主要包括外业和内业两部分内容。外业主要为点云数据的获取，通过三维激光扫描仪获取历史建筑表面一定距离间隔点的三维坐标。内业主要为数据的配准（点云数据的拼接））、点云数据的优化处理及点云数据的应用。

3技术要求

（1）根据成果应用需求，确定站点布设，合理选择测量精度和覆盖范围；

（2）对扫描过程进行现场记录，包含测绘人员、站点位置、仪器关键参数等；

（3）现场作业时，应时刻观察仪器的工作状态，出现水平补偿失效、明显震动、断电等情况时，应重新采集当前站点的数据；

（4）相邻扫描站间的三维点云数据重合率应大于 30%；

（5）宜保持相邻站间通视；

（6）室内外点云数据应拼接为一个完整的模型，不应存在可见的点云分层。

（7）扫描站应设置在视野开阔、地面稳定的安全区域；

（8）扫描站扫描范围应覆盖整个扫描目标物，均匀布设，且设站数尽量减少；

（9）目标物结构复杂、通视困难或线路有拐角的情况应适当增加扫描站；

（10）必要时可搭设平台架设扫描站。

（11）目标球及标靶应在扫描范围内均匀布置且高低错落；

（12）每一扫描站的目标球及标靶个数应不少于 4 个，相邻两扫描站的目标球及标靶个数应不少于 3 个；

（13）明显特征点可作为标靶使用。

4内业数据处理

4.1数据拼接

数据的配准是将2个以上坐标系中的三维空间数据点集转换到统一坐标系统中的数学计算过程。由于每站获取的点云数据是处在扫描站坐标系统下，且每站坐标系是相对独立的，为取得到整个建筑物的点云模型，应将每站扫描坐标系下的点云数据转换到同一坐标系下，点云数据的拼接方法如下：

（1）目标球、平面标靶；

（2）无目标拼接（目标平面）；

（3）特征点拼接；

（4）点对点拼接。

4.2点云数据检查

在上面拼接工作之后，一定要检查点云的数据质量，主要是通过以下内几个方面进行检查:

（1）是否有分层现象；

（2）是否有的测站的点云数据不重合，有叠影现象；

（3）是否存在点云镜像现象；

（4）检查点云是否存在有倒置现象；

（5）检查点云的识别度是否能满足后期成果要求；

（6）点云重叠度、完整性；

（7）点云密度；

（8）点云相对精度、绝对精度

4.3点云数据的优化处理

点云数据的优化处理包括历史建筑以外的点云数据去除、滤波处理、噪音去除等的处理，提高数据的信噪比，获取真实的点云文件。如去除历史建筑前面的树木等遮挡物，通过优化处理，剔除了原始点云数据中的错误点和含有粗差的点，还原了历史建筑的原本性。

4.3.1点云去噪

三维激光扫描所见即所得，视场内所有能反信号的物体均被扫描仪所获得，其中包括大量的项目不需要的点云，统称为噪点，包括行人、车辆、草地、树木以及水面倒影和太阳的光晕。这些点不但增加了数据的容量，还严重影响对地物特征点、线的判别，所以要对点云进行去噪。目前软件还不具备自动去噪的能力，主要是依靠人工通过不断变换视点的方法把不需要的点云删除。在去噪时，视图应设置成正射模式，不能设置为透视模式，这样就不会误删。

4.3.2数据精简

扫描分辨率越高和目标物越大，采集到的点云数据量就越多，而且是通过重叠部分的公共点进行点云配准的，因此在点云中会存在着数据冗余，所以需要对点云数据进行数据精简。通过软件中的“统一采样”功能，采用均匀抽稀的方法精简数据，并调整点云间的疏密，以此避免点云疏密不均导致的数据不准确问题。

4.4平立剖的制作

平立剖制作流程图如下：

4.5 Sket chup 模型

Sket chup模型制作流程图如下：

5质量检查

对建筑物的平面、立面图、剖面图进行现场检查，对其尺寸准确性、标注规范性，是否满足技术设计的精度等进行检查。

对Sket chup模型进行详细检查，主要针对建立模型细节的全面，是否能够反映真实的建筑风格，精度控制是否良好，是否满足了前期技术设计的要求等。

对三维模型的质量进行检查，是否满足完整性、几何精度、属性精度、现势性和逻辑一致性的要求。

6结论

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度的立体扫描技术，又被称为实景复制技术，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。 可对廊下的台阶、门窗、有遮挡的角落、间距过密的山墙，室内的墙壁、地面铺装、脊饰、斗拱进行全方位无死角测量，为快速获取建筑物平面图、立面图和剖面图数据提供了一种全新的技术手段，三维激光扫描技术将被越来越多的行业所应用。

7参考文献

1. 蒋江生,杨元兴. 三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J]. 地矿测绘,2014(3):38-40,47

2. 钟棉卿.基于三维激光扫描技术的城市建筑外立面测量[J].北京测绘，2020，34（11）：1606-1609.

3. 桂仁，王永明，檀丁.基于三维激光扫描技术的建筑物立面测量方法[J].北京测绘，2017（S1）：110-113.

4. 梁爽,谭龙,李海泉,等. 三维激光扫描技术制作不可移动文物本体测绘图方法研究[J]. 测绘与空间地理信息,2016,39(2):123-125.