- 相關推薦
重慶羅漢寺文物保護工程中激光掃描技術的運用分析論文
0 引 言
三維激光掃描技術是近年來發展起來的測繪新技術，它與傳統測繪方法相比具有明顯的優越性。它可以在短時間內采集海量的目標點坐標，測量精度很高。形成的點云，可以進一步處理構建目標三維模型，真實再現目標面貌。三維激光掃描技術在地面景觀形體測量、復雜工業設備測量與建模、建筑與文物保護和城市三維可視化模型建立等各個方面都有廣泛的應用。
重慶羅漢寺是全國漢族地區重點佛教寺廟之一，始建于北宋治平年間，至今已有近千年的歷史。因為羅漢寺建筑時間久遠，其建筑因破損需要維修，而大部分建筑均無建筑圖紙等資料及數據。因此，本項目采用三維激光掃描技術對羅漢寺內主要建筑物進行三維掃描測量，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，留下寶貴的歷史檔案。
1 三維激光掃描儀和相關軟件介紹
1. 1 三維激光掃描儀 VZ - 1000
本項目采用的是奧地利 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、長距離三維激光掃描儀和高分辨率的數碼相機組成。VZ -1000 三維激光掃描儀最遠掃描距離可達 1 400 m,測量精度優于 5 mm,建模精度優于 2 mm,并且該儀器配有云臺設備可以采用不同傾角對建筑進行掃描。
1. 2 相關軟件介紹
1） RiSCAN PRORiSCAN PRO 是三維激光掃描儀 VZ 系列的自帶軟件。用戶可以用 RiSCAN PRO 軟件配置傳感器參數、進行數據獲取、數據顯示、數據處理和數據存檔等操作。
2） Geomagic Studio由美國 Raindrop （ 雨滴） 公司出品的逆向工程和三維檢測軟件 GeomagicStudio 可輕易地利用掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根據任何實物零部件自動生成準確的數字模型。
2 建筑物數據采集方法
運用三維激光掃描儀對羅漢寺內主要建筑物及羅漢（ 塑像） 進行三維數據采集。由于建筑物造型復雜，數據獲取困難，因此需要進行多站掃描，同時配備“云臺”設備獲取整體數據。
羅漢寺的數據采集復雜多樣，其內建筑物多、密度大，同時由于景區人數多、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”相結合的方式進行數據采集。“粗掃”時采用 360°的掃描方式進行，掃描距離設置為 450 m,采樣間隔設置為 100 m 處 0. 05 m,掃描一周時間為 2 min.“粗掃”目的是為了獲得測站四周建筑物整體的輪廓點云數據。“精掃”時采用選擇特定區域，掃描距離設置為 450 m,采樣間隔設置為 100 m 處0. 02 m方式進行，“精掃”目的是為了獲得主要建筑物的重要區域的精細點云數據。采用“粗掃”和“精掃”相結合的作業方式，保證了掃描數據滿足工程精度要求，同時盡可能提高了工作效率。
由于需要測量羅漢寺內主要建筑物的頂高數據，在數據采集時采用了“云臺”測量工具，該工具可以在垂直方向上從 0° ~90°進行變化，把激光掃描儀架設在該“云臺”上，通過“云臺”的角度變化進行傾斜掃描。采用“云臺”技術進行數據采集，與常規掃描采集點云數據要求一致，主要采集了建筑物頂部數據。
為了使建立的三維模型真實及紋理清楚，在三維數據獲取時，采用專用相機獲取影像數據。為滿足三維仿真系統建設的需要，對未獲取影像的區域，采用單反相機單獨拍攝。
3 建筑物點云數據處理方法
3. 1 數據預處理
采用三維激光掃描儀配套數據處理軟件 RISCANPRO,對多次掃描數據進行拼接，其拼接精度達到 2 cm.
由于羅漢寺內建筑物繁多，分布密集。整體瀏覽和處理都不方便，為了更快捷、清楚地對數據進行處理，需要對羅漢寺整體點云數據進行裁剪。通過 RISCAN PRO 軟件的裁剪功能對點云數據的裁剪，獲得羅漢寺內主要建筑物的獨立點云數據。
由于原始掃描的建筑物點云數據沒有顏色信息，瀏覽和處理并不直觀，僅僅依靠激光點云對物體進行三維建模是不夠的，缺乏對表面紋理特征的有力表達，因此，采用影像匹配技術對點云賦予顏色。
3. 2 建筑物特征提取方法
通過三維激光掃描獲得羅漢寺建筑物數據是三維點數據，對建筑物而言，其關鍵數據是建筑物各重要部位的輪廓線數據，建筑物輪廓線數據也是其設計、修復、建模的基礎數據。因此，需要對羅漢寺的主要建筑物的輪廓特征進行提取。將整理好的羅漢堂點云數據，導入自主研發的點云數據處理程序，進行數據處理。該程序主要包含點云電力線提取、點云斜坡提取、點云特征提取、點云線地物搜索等用于地形處理的功能。
運用點云數據處理程序相關功能，提取建筑物的外圍輪廓線、屋脊線等。通過軟件提取，最終得到羅漢寺主要建筑的特征線如圖 1 所示。
基于對文物保護需求，需要采集羅漢寺內各建筑頂部的準確高程數據。此前地形圖測量時，受條件的限制，只采集了部分建筑的頂部高程數據，而點云數據中涵蓋了所有的建筑物頂部高程數據，采用 RISCAN PRO 的點特征提取功能，提取所有高程數據。與常規采集數據進行比較，同部位高程差最大值為 12 mm.
3. 3 精細模型制作
對采集的羅漢（ 塑像） 進行精細模型制作。模型制作時，根據點云數據，提取特征線，匹配現場采集的影像資料，進行點云數據拼接、裁剪，獲取羅漢（ 塑像） 的精細點云數據。將點云數據導入 Geomagicstuido 點云建模軟件進行精細建模處理，先對點云數據進行降噪處理，然后對點云數據進行封裝，通過封裝使點云數據生成空間三角網模型數據，對空間三角網模型數據進行補洞、平滑、修復等優化處理，得到羅漢（ 塑像） 精細三維模型。該三維模型為后期維修等留存寶貴的歷史數據資料。
3. 4 三維仿真系統建設
根據前述各工序獲取的地形圖、三維點云數據、影像數據等資料，利用三維建模軟件 3DS Max 或 CREATOR 等進行模型制作并貼上真實材質。采用自主研發的集景-三維仿真平臺建立羅漢寺三維仿真系統，實現場景的快速瀏覽漫游，建構筑物的快速查詢和三維定位等。系統中保留羅漢寺詳細的歷史信息，留下文物的詳細歷史檔案，為后期管理提供一個直觀、科學的平臺。如圖 2 所示。
4 結束語
本文采用三維激光掃描技術應用于重慶羅漢寺文物保護工程，通過外業數據采集，內業數據處理，對建筑物進行輪廓特征提取，構建精細三維模型，建立三維仿真系統，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。通過該項目的實施為三維激光掃描技術對古建筑的數字化保護探索了一條可行的技術路線。（圖略）
參考文獻：
[1] 王晏民，郭明，王國利。 利用激光雷達技術制作古建筑正射影像圖[J]. 北京建筑工程學院學報，2006,22（ 4） :19 - 22.
[2] 鄭德華，雷偉光。 地面三維激光影像掃描測量技術[J].鐵路航測，2003（ 2） : 26 -28.
[3] 余明，丁辰，劉長征。 北京故宮修復測繪研究[J]. 測繪通報，2004（ 4） : 11 -13.
[4] 曹先革，楊金玲，司海燕，等。 地面三維激光掃描點云數據精度影響因素及控制措施[J]. 測繪工程，2014,23（ 12） : 5 -7.
[5] 馬立廣。 地面三維激光掃描測量技術研究[D]. 武漢： 武漢大學，2005.
[6] 尚濤，孔黎明。 古代建筑保護方法的數字化研究[J]. 武漢大學學報： 信息科學版，2006,39（ 1） : 72 -75.
[7] 張遠智，胡廣洋，劉玉彤，等。 基于工程應用的三維激光掃描系統[J]. 測繪通報，2002（ 1） : 34 -36.
【重慶羅漢寺文物保護工程中激光掃描技術的運用分析論文】相關文章：
重慶羅漢寺 -資料05-02
三維激光掃描技術在地籍測繪中的應用論文04-27
飛機泊位系統中的激光掃描數據的處理的論文10-14
測繪工程中GPS技術的運用的論文04-27
地圖測繪中遙感航測技術的運用分析的論文04-27
城市測繪工程中RTK技術的運用論文04-27
BIM技術在工程造價中的運用論文04-27