重庆罗汉寺文物保护工程中激光扫描技术的运用分析论文
0 引 言
三维激光扫描技术是近年来发展起来的测绘新技术，它与传统测绘方法相比具有明显的优越性。它可以在短时间内采集海量的目标点坐标，测量精度很高。形成的点云，可以进一步处理构建目标三维模型，真实再现目标面貌。三维激光扫描技术在地面景观形体测量、复杂工业设备测量与建模、建筑与文物保护和城市三维可视化模型建立等各个方面都有广泛的应用。
重庆罗汉寺是全国汉族地区重点佛教寺庙之一，始建于北宋治平年间，至今已有近千年的历史。因为罗汉寺建筑时间久远，其建筑因破损需要维修，而大部分建筑均无建筑图纸等资料及数据。因此，本项目采用三维激光扫描技术对罗汉寺内主要建筑物进行三维扫描测量，获取建筑物顶高及建筑主体轮廓的精确尺寸，建立三维仿真系统，留下宝贵的历史档案。
1 三维激光扫描仪和相关软件介绍
1. 1 三维激光扫描仪 VZ - 1000
本项目采用的是奥地利 RIEGL 公司的最新一代激光扫描仪 VZ -1000 三维激光扫描仪。该仪器由高精度、长距离三维激光扫描仪和高分辨率的数码相机组成。VZ -1000 三维激光扫描仪最远扫描距离可达 1 400 m,测量精度优于 5 mm,建模精度优于 2 mm,并且该仪器配有云台设备可以采用不同倾角对建筑进行扫描。
1. 2 相关软件介绍
1） RiSCAN PRORiSCAN PRO 是三维激光扫描仪 VZ 系列的自带软件。用户可以用 RiSCAN PRO 软件配置传感器参数、进行数据获取、数据显示、数据处理和数据存档等操作。
2） Geomagic Studio由美国 Raindrop （ 雨滴） 公司出品的逆向工程和三维检测软件 GeomagicStudio 可轻易地利用扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。
2 建筑物数据采集方法
运用三维激光扫描仪对罗汉寺内主要建筑物及罗汉（ 塑像） 进行三维数据采集。由于建筑物造型复杂，数据获取困难，因此需要进行多站扫描，同时配备“云台”设备获取整体数据。
罗汉寺的数据采集复杂多样，其内建筑物多、密度大，同时由于景区人数多、客流量大，为了保证扫描效果和工作效率，扫描采用“粗扫”和“精扫”相结合的方式进行数据采集。“粗扫”时采用 360°的扫描方式进行，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处 0. 05 m,扫描一周时间为 2 min.“粗扫”目的是为了获得测站四周建筑物整体的轮廓点云数据。“精扫”时采用选择特定区域，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处0. 02 m方式进行，“精扫”目的是为了获得主要建筑物的重要区域的精细点云数据。采用“粗扫”和“精扫”相结合的作业方式，保证了扫描数据满足工程精度要求，同时尽可能提高了工作效率。
由于需要测量罗汉寺内主要建筑物的顶高数据，在数据采集时采用了“云台”测量工具，该工具可以在垂直方向上从 0° ~90°进行变化，把激光扫描仪架设在该“云台”上，通过“云台”的角度变化进行倾斜扫描。采用“云台”技术进行数据采集，与常规扫描采集点云数据要求一致，主要采集了建筑物顶部数据。
为了使建立的三维模型真实及纹理清楚，在三维数据获取时，采用专用相机获取影像数据。为满足三维仿真系统建设的需要，对未获取影像的区域，采用单反相机单独拍摄。
3 建筑物点云数据处理方法
3. 1 数据预处理
采用三维激光扫描仪配套数据处理软件 RISCANPRO,对多次扫描数据进行拼接，其拼接精度达到 2 cm.
由于罗汉寺内建筑物繁多，分布密集。整体浏览和处理都不方便，为了更快捷、清楚地对数据进行处理，需要对罗汉寺整体点云数据进行裁剪。通过 RISCAN PRO 软件的裁剪功能对点云数据的裁剪，获得罗汉寺内主要建筑物的独立点云数据。
由于原始扫描的建筑物点云数据没有颜色信息，浏览和处理并不直观，仅仅依靠激光点云对物体进行三维建模是不够的，缺乏对表面纹理特征的有力表达，因此，采用影像匹配技术对点云赋予颜色。
3. 2 建筑物特征提取方法
通过三维激光扫描获得罗汉寺建筑物数据是三维点数据，对建筑物而言，其关键数据是建筑物各重要部位的轮廓线数据，建筑物轮廓线数据也是其设计、修复、建模的基础数据。因此，需要对罗汉寺的主要建筑物的轮廓特征进行提取。将整理好的罗汉堂点云数据，导入自主研发的点云数据处理程序，进行数据处理。该程序主要包含点云电力线提取、点云斜坡提取、点云特征提取、点云线地物搜索等用于地形处理的功能。
运用点云数据处理程序相关功能，提取建筑物的外围轮廓线、屋脊线等。通过软件提取，最终得到罗汉寺主要建筑的特征线如图 1 所示。
基于对文物保护需求，需要采集罗汉寺内各建筑顶部的准确高程数据。此前地形图测量时，受条件的限制，只采集了部分建筑的顶部高程数据，而点云数据中涵盖了所有的建筑物顶部高程数据，采用 RISCAN PRO 的点特征提取功能，提取所有高程数据。与常规采集数据进行比较，同部位高程差最大值为 12 mm.
3. 3 精细模型制作
对采集的罗汉（ 塑像） 进行精细模型制作。模型制作时，根据点云数据，提取特征线，匹配现场采集的.影像资料，进行点云数据拼接、裁剪，获取罗汉（ 塑像） 的精细点云数据。将点云数据导入 Geomagicstuido 点云建模软件进行精细建模处理，先对点云数据进行降噪处理，然后对点云数据进行封装，通过封装使点云数据生成空间三角网模型数据，对空间三角网模型数据进行补洞、平滑、修复等优化处理，得到罗汉（ 塑像） 精细三维模型。该三维模型为后期维修等留存宝贵的历史数据资料。
3. 4 三维仿真系统建设
根据前述各工序获取的地形图、三维点云数据、影像数据等资料，利用三维建模软件 3DS Max 或 CREATOR 等进行模型制作并贴上真实材质。采用自主研发的集景-三维仿真平台建立罗汉寺三维仿真系统，实现场景的快速浏览漫游，建构筑物的快速查询和三维定位等。系统中保留罗汉寺详细的历史信息，留下文物的详细历史档案，为后期管理提供一个直观、科学的平台。如图 2 所示。
4 结束语
本文采用三维激光扫描技术应用于重庆罗汉寺文物保护工程，通过外业数据采集，内业数据处理，对建筑物进行轮廓特征提取，构建精细三维模型，建立三维仿真系统，为罗汉寺的文物和建筑留下了宝贵历史档案，为后期维修等工作提供了依据。通过该项目的实施为三维激光扫描技术对古建筑的数字化保护探索了一条可行的技术路线。（图略）
参考文献：
[1] 王晏民，郭明，王国利。 利用激光雷达技术制作古建筑正射影像图[J]. 北京建筑工程学院学报，2006,22（ 4） :19 - 22.
[2] 郑德华，雷伟光。 地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测，2003（ 2） : 26 -28.
[3] 余明，丁辰，刘长征。 北京故宫修复测绘研究[J]. 测绘通报，2004（ 4） : 11 -13.
[4] 曹先革，杨金玲，司海燕，等。 地面三维激光扫描点云数据精度影响因素及控制措施[J]. 测绘工程，2014,23（ 12） : 5 -7.
[5] 马立广。 地面三维激光扫描测量技术研究[D]. 武汉： 武汉大学，2005.
[6] 尚涛，孔黎明。 古代建筑保护方法的数字化研究[J]. 武汉大学学报： 信息科学版，2006,39（ 1） : 72 -75.
[7] 张远智，胡广洋，刘玉彤，等。 基于工程应用的三维激光扫描系统[J]. 测绘通报，2002（ 1） : 34 -36.
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