大型古建筑文物三维数字化保护研究.pdf

大型古建筑文物三维数字化保护研究 以白马寺齐云塔为例 李永强1， 2， 刘会云1 ， 冯 梅1， 3 ， 苏 蕾1 ， 张 键1， 郑艳慧1 1． 河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室， 河南焦作454000; 2． 北京师范大学 空间信息科学与技术研 究所， 北京100875; 3． 河南省遥感测绘院， 郑州450003 ＊ 摘要 针对大型古建筑文物结构复杂， 数字化保护工作繁琐而沉重的问题， 提出融合多种精密 测量技术的三维数字化方法． 用 GPS 测设精密控制网来确定古建筑文物的空间坐标和方位; 用三维激光扫描仪获取密集点云来构建精细三维数据模型; 用高精度免棱镜全站仪精确观测 特征点， 与三维激光扫描测量进行精度的相互检核． 以该方法在白马寺齐云塔数字化保护应用 为例， 详细阐述了外业数据采集的方法和技术， 并在点云拼接、 三维建模、 数据分析等方面讨论 了内业数据处理的方法与技术 . 关键词 三维激光扫描; 点云; 文物保护; 3D 表面重建; 精度检核 中图分类号 P258文献标识码 A 文章编号 1673- 9787 2012 02- 0186- 05 Research on 3D digitization protection of large historic building relic take great white horse temple＇s Qiyun pagoda for exampole LI Yong- qiang1， 2，LIU Hui- yun1，FENG Mei1， 3，SU Lei1，ZHANG Jian1，ZHENG Yan- hui1 1． Key Laboratory of Mine Spatial Ination Technologies of National Adminisration of Surveying，Mapping and Geoination， Henan Polytech- nic University，Jiaozuo454000，Henan，China; 2． Academy of Disaster Reduction and Emergency Management，Beijing Normal University，Bei- jing100875，China; 3． Henan Remote Sensing and Surveying Institute，Zhengzhou450003，China Abstract Large historic building relic commonly has complex construction，and the digitization protection is a cockamamie and heavy workload． To resolve this problem，we present a 3D digitization with multi- pre- cision measurement data fusion． we use GPS to observe precise control network and locate the coordinate and orientation about the historic building relic，employ 3D laser scanner to acquire dense point cloud and build precise 3D model，and use high accuracy non- prism electronic total station to observe precise characteristic points and detect precision with 3D laser scanner for each other． The paper takes the digitization protection of Great White House Temple＇s Qiyun Pagoda for example，has a detailed presentation on and technology in field work，and discusses the and technology in interior work in several aspects，such as point cloud registering， 3D modeling and data analysis． Key words 3D laser scanning;point cloud;historic preservation; 3D surface rebuild;accuracy check 第 31 卷第 2 期 2012 年 4 月 河南理工大学学报 自然科学版 JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY NATURAL SCIENCE Vol． 31No． 2 Feb． 2012 ＊收稿日期 2012- 01- 13 基金项目 国家自然科学基金资助项目 41001304 ; 河南省重点攻关项目 112102210193 ． 作者简介 李永强 1976 ， 男， 河南许昌人， 博士， 讲师， 主要从事激光扫描技术研究与教学工作 . E- mail liyongqiang hpu． edu． cn 0引言 古建筑文物承载着丰富的历史信息， 对各个 历史时期的社会、 政治、 文化、 艺术研究具有重要 价值， 但是， 随着人类活动的日益影响， 许多重要 古建筑文物遭到不同程度的破坏． 对文物进行数 字化三维重建是文物保护的有效手段， 近年来多 种先进传感器在古建筑文物保护中得到了广泛应 用， 这在很大程度上促进了古建筑文物保护工作 的进展， 国内外已有很多成功案例 ［1- 5 ］． 古建筑文 物的数字化保护需要以真实、 准确、 密集的表面测 量数据为基础， 但对于大型的古建筑文物， 由于受 数据获取方式的限制， 往往要求在周围高大建 构 筑物上架设仪器， 或搭建高大稳定的观测平 台， 这在很大程度上增加了作业成本， 延长了作业 周期， 目前尚没用成熟的经验可以借鉴． 作为全国 级重点保护文物， 洛阳白马寺齐云塔是中原地区 现存最大的密檐式建筑， 该塔修建于金代， 塔平面 为正方形， 高 26 m， 共 13 层 图 1 a ． 由于年久 失修， 塔体损毁严重， 塔基砖体出现酥碱， 2008 年 遭受雷击， 使塔体遭受严重损坏， 成为Ⅳ类建筑． 为保护这一珍贵的文物， 相关部门对该塔实施修 复加固工程 图 1 b ， 三维数字化是齐云塔文 物保护的重要组成部分． 本文以齐云塔为例， 详细 阐述了融合多种精密测绘技术的大型古建筑三维 数字化文物保护方法， 包括外业数据采集和内业 数据处理， 希望本文的成果能对相关研究提供借 鉴． 1外业测量 1． 1控制网建设 控制网建设是三维表面测量工作初期的一项 重要工作 ［6 ］． 根据工程建设需要， 分别进行了局 部坐标控制网和绝对坐标控制网建设． 1 局部坐标控制网建设． 局部控制网建设 的目的是把不同测站获取的点云数据整合在一个 坐标系中， 使所有空间点云有一致的空间参考 . 三维激光扫描仪从不同测站对目标进行扫描， 测 站内数据点之间有很高的相对精度， 测站间数据 点的拼接需要至少 3 个同名点经坐标转换后达到 坐标的一致． 为了充分发挥标靶在点云拼接中的 优势， 根据齐云塔周围环境的具体情况， 在齐云塔 四周围栏上黏贴了 13 个固定标靶 图 2 中的 f01 － f13 ． 在地面上分 3 个测站对这些标靶进行精 细扫描， 相邻两测站间有数个重叠标靶， 根据重叠 标靶对 3 个测站数据进行拼接， 将 13 个标靶整合 在一个局部独立坐标系中， 这 13 个固定标靶成为 各测站点云拼接的基础． 标靶拼接使用 Cyclone6． 0 软件， 所有标靶拼接误差均小于1 mm． 2 绝对坐标控制网建设． 要达到对齐云塔 文物保护的目标， 还要将局部测量坐标转换到空 间坐标系中， 获得齐云塔的绝对位置和方位， 这要 求建立局部坐标系和大地坐标系之间的联系， 建 立精度较高的大地坐标控制网． 根据作业要求及 白马寺齐云塔周围的具体情况， 在白马寺齐云塔 周围布设 GPS 控制网， 施测了 5 个控制点 图 2 中的 A1 － A5 ， 联测 2 个 D 级 GPS 点作为起算 点， 使用 1980 西安坐标系进行平差计算． 因 5 个 控制点相距太近 最近 13． 5 m ， 平差精度较低 最弱 1/32707 ， 但足以满足对整体模型定位定 向的要求． 1． 2三维激光扫描表面测量 要获取塔身完整的点云数据， 需要在塔四周 不同高度的平台上架设激光扫描仪， 齐云塔高度 为 26 m， 周围没有高层建筑物， 塔周围树木茂密， 781第 2 期李永强， 等 大型古建筑文物三维数字化保护研究 以白马寺齐云塔为例 大型吊装设备也无法进入寺院内， 这给数据采集 带来了很大困难． 有 2 种可选方案 1 利用齐云 塔修缮时尚未拆除的脚手架 图 1 b ， 对脚手 架进行局部加固以架设仪器， 在脚手架上完成三 维激光扫描工作． 由于脚手架距离塔身太近， 又存 在诸多遮挡， 这将给数据采集工作带来很多困难， 也会大大增加外业数据获取和内业数据处理的工 作量． 2 拆除现有脚手架， 在距离塔身一定距离 搭建一个环形平台， 这需要花费大量人力、 物力， 而且也会延长至少 2 个月的工期． 综合对比分析 2 种方案， 决定采用方案 1． 通过对作业现场的具 体勘察， 科研小组制定了具体的作业方案， 成功完 成了三维点云数据采集工作． 1 确定观测平台． 从顶部第 1 层开始， 每隔 1 层布设 1 个观测平台， 自上向下围绕塔体共布 设 8 个观测平台， 在地面上也作为 1 个观测平台， 共分 9 层对全塔进行扫描． 2 加固观测平台． 由 4 名脚手架工人依次 对各观测平台进行加固， 每个观测平台的 4 个拐 角作为观测站点， 对观测站点进行特殊加固， 保证 观测仪器的稳定性和作业的安全性． 3 数据采集． 采用自上而下的观察顺序， 从 顶部第 1 个观察平台开始， 依次向下， 直至到达地 面; 在每个观测平台上的 4 个测站， 采用顺时针观 测顺序; 在每个测站上， 观测范围在水平方向上为 与拐角相邻的两个面， 竖直方向上为观测点邻近 的三层塔体; 当激光扫描仪到达地面后， 由于不受 观测平台的限制， 在距离塔体拐角较远的地方架 设仪器， 扫描范围为整个塔体． 由于相邻测站间存 在一定的观测重叠区域， 这既有效地解决了遮挡 的影响， 保证了数据采集的完整性， 又便于使用特 征点匹配进行点云的拼接． 全塔共进行了 36 个测 站的扫描工作． 4 标靶扫描． 完成每测站的扫描后， 还要尽 可能多地扫描护栏上的固定标靶; 在距离地面较 高的几层观测平台上， 由于受视场角的限制， 对护 栏上固定标靶的扫描受到限制， 在塔身上适当黏 贴几个固定标靶， 以增加相邻测站拼接的精度． 1． 3免棱镜全站仪测量 通过对三维表面模型的初步分析， 发现齐云 塔存在一定程度的倾斜． 为了验证三维激光扫描 测量的精度， 使研究结论更具说服力， 研究小组选 用徕卡 TS02 免棱镜全站仪， 对齐云塔进行了检核 测量 先选择特征点， 从齐云塔每层的 4 个拐角处 分别选择 1 个特征点， 13 层共 52 个特征点; 再观 测特征点， 分别从 2 个测站， 用免棱镜全站仪对这 些特征点进行精确测量， 两站观测点位较差控制 在 1 cm 以内， 最终结果取两站观测平均值． 2数据处理与分析 2． 1点云拼接 点云是三维重建的基础， 点云的精度直接决 定了三维重建的精度， 而点云拼接是最基础的工 作之一 ［7- 9 ］． 由于作业空间狭小， 作业环境差， 作业 受外界环境影响大， 要把 36 站散碎的点云精确整 合在同一个坐标系中， 这给研究小组提出了很大 的挑战． 为了满足高精度点云模型的要求， 科研小 组采用如下的点云拼接策略 先对在地面上观测 的 4 站点云数据 这 4 站数据覆盖面大、 精度高 进行精确拼接， 构成大致的塔体点云模型， 作为点 云拼接的主要参考; 再对每个观测平台所包含的 4 个测站数据进行拼接; 最后由下向上依次把各 观测平台的观测数据拼接到模型中， 最终构成完 整的整体点云模型． 由于激光扫描仪在获取数据 的过程中， 受风吹等外界因素的影响， 同一测站内 的数据的一致性会受到少量影响， 拼接的时候， 不 但要考虑标靶和同名点的拼接误差， 还要认真观 察拼接后各部分的拟合程度， 根据具体情况进行 适当调整， 以达到最好的拼接效果， 这是一个相当 繁重的工作量． 一般情况下， 相邻测站点云拼接精 度控制在 4 mm 以内， 最差的也控制在 1 cm 以 内， 精确的点云拼接有效保证了模型的精度． 2． 2三维建模 点云模型和各类线画图能在一定程度上真实 表达目标的空间形态特征， 但它们的表达能力有 限， 要描述目标的细节特征， 还需要构建精细的 TIN 模型 ［10- 11 ］． 对于文物的三维建模， 需要客观真 实表达其空间几何形态， 这对建模方法和建模精 度都提出了特殊要求， 尤其是当数据量特别庞大 时， 其空间三维建模是一项相当繁琐的工作， 不但 需要对目标整体进行三维建模， 还要对整个对象 进行分块处理， 对各个分块进行更精细的描述． 科 研组采用先碎步后整体的策略 把齐云塔点云模 型分为若干子块， 对每一块进行认真检查， 精细建 模， 然后把各子块逐步整合， 最终构建完整的三维 TIN 模型 图 3 ． 2． 3数据分析 1 特征点精度检核． 通过对全站仪观测的 52 个特征点数据进行分析， 剔除部分不合格数 据， 最终确定 48 个符合要求的特征点观测数据． 881河南理工大学学报 自然科学版 2012 年第 31 卷 在点云图像上认真选择特征点的对应点， 与全站 仪观测坐标进行对比， 从表 1 的对比结果可以看 出 最大坐标较差 23 mm， 最小较差 7 mm， 平均较 差 17 mm． 从对比结果来看， 无论单点精度还是整 体精度， 三维激光扫描测量结果都达到了很高的 精度． 表 1特征点精度检核 Tab． 1Accuracy check of characteristic points 点号点位较差/m点号点位较差/m点号点位较差/m点号点位较差/m SW010．017NW010． 015NE010．013SE010．012 SW020．008NW020． 013NE020．009SE020．017 SW030．019NW030． 016NE030．011SE030．012 SW040．016NW04NE040．011SE040．009 SW050．016NW050． 010NE050．018SE050．014 SW060．017NW060． 007NE060．018SE060．019 SW070．016NW07NE070．018SE070．019 SW080．012NW080． 019NE080．022SE080．018 SW090．014NW090． 017NE090．022SE090．022 SW100．022NW10NE100．019SE100．022 SW110．023NW11NE110．020SE110．023 SW120．022NW120． 020NE120．021SE120．018 SW130．023NW130． 021NE130．018SE130．022 2 模型精度分析． 三维激光扫描仪以5 mm 的采样间隔完成了齐云塔表面测量工作， 整个齐 云塔表面模型共包含 2 400 万数据点， 由于三维 激光扫描仪单点定位精度可达毫米级， 由密集点 云构建的表面模型精度更高， 相对精度甚至可达 毫米以内． 为了满足不同应用需求， 科研组进行了 多分辨率表面 TIN 模型的构建， 所构建模型包含 的数据点分别为 2 400 个万， 480 万， 240 万和 120 万， 这些模型的采样点密度从 5 mm 到20 mm， 这 一系列模型都能精细地表达齐云塔的细节特征， 模型的相对点位精度都在毫米级． 3 齐云塔中心偏移量计算． 为了更准确地 计算齐云塔中心偏移量， 科研组采用 3 种方式计 算各层中心 ①从点云图像中找出每层的 4 个脚 点， 4 点交叉连线求出中心; ②根据点云图像绘出 线画图模型， 根据模型的 4 个脚点求出中心; ③全 站仪测量的特征点大多是脚点， 用这些脚点计算 各层中心． 通过 3 种方式计算结果的比较， 最大不 符值仅为 2 cm， 这充分保证了各层中心位置的正 确性． 在计算中心的时候， 从上到下 1 ～13 层每层 求出 1 个中心， 基座求出 J1， J2 两层的中心． 计算 中心偏移量时， 分别求出相邻两层中心相对偏移 量以及最顶层和最底层中心偏移量， 计算结果如 表2 所示． 从表2 中可知， 从顶部第1 层到基座 J2 层的中心偏移量为 0． 759 m， 偏移方向为北偏西 47． 35， 与垂直方向的偏移角1． 98． 981第 2 期李永强， 等 大型古建筑文物三维数字化保护研究 以白马寺齐云塔为例 表 2齐云塔偏移量计算 Tab． 2Offsets calculation of Qiyun Pagoda 层 坐标 中心坐标/m 中心偏移/m 偏移值/ m 或 XYZ层对比XYZ偏移量北偏西倾斜角 13 843 745． 323509 419． 628148． 395－－－－－－－ 23 843 745． 326509 419． 642147． 7891 －2－0．003－0．0140． 6060． 014102． 0951．353 33 843 745．308509 419． 666147． 0102 －30．018－0． 0240．7790． 03053．1302．205 43 843 745．290509 419． 686145． 9043 －40．018－0． 0201．1060． 02748．0131．394 53 843 745．250509 419． 709144． 7214 －50．040－0． 0231．1830． 04629．8992．234 63 843 745．214509 419． 733143． 5395 －60．036－0． 0241．1820． 04333．6902．096 73 843 745．178509 419． 752142． 2956 －70．036－0． 0191．2440． 04127．8241．874 83 843 745．153509 419． 774141． 0147 －80．025－0． 0221．2810． 03341．3481．489 93 843 745．115509 419． 807139． 4388 －90．038－0． 0331．5760． 05040．9721．829 103 843 745． 061509 419． 839137． 7799 －100．054－0．0321． 6590． 06330．6512．167 113 843 745． 013509 419． 887135． 99910 －110．048－0．0481． 7800． 06845．0002．184 123 843 744． 951509 419． 913134． 14211 －120．062－0．0261． 8570． 06722．7512．073 133 843 744． 884509 419． 960132． 25712 －130．067－0．0471． 8850． 08235．0492．486 J13 843 744． 812509 420． 160128． 17313 － J10．072－0．2004． 0840． 21370．2012．979 J23 843 744． 809509 420． 186126． 423J1 － J20．003－0．0261． 7500． 02683．4180．857 总体－－－－0．514－0．55821．9720． 75947．3501．978 3结语 本文以白马寺齐云塔为例， 详细阐述了大型 古建筑文物三维数字化保护的方法和技术． 在外 业数据采集方面， 综合三维激光扫描仪、 GPS、 免 棱镜全站仪等先进测绘仪器， 通过方案设计、 外业 观测， 全面准确获取了齐云塔精细的三维空间数 据; 采用点云拼接、 三维建模、 数据分析等内业数 据处理的方法与技术， 获得了大型古建筑文物三 维模型， 既发挥了三维激光扫描技术的优势， 又与 传统测量技术相互佐证， 提高了测量成果的可信 度． 参考文献 ［ 1］ SHIH N J，WANG H J，LIN C Y，et al． 3D scan for the digital preservation of a historical temple in Taiwan ［ J］ ． Advances in Engineering Software， 2007， 38 501- 512． ［ 2］ WEI O C，CHIN C S，MAJID Z，et al． 3D documen- tation and preservation of historical monument using terrestrial laser scanning［J］ ． Geoination Science Journal， 2010， 10 1 73- 90． ［ 3］ 胡少兴， 查红彬， 张爱武． 大型古文物真三维数字化 方法［J］ ． 系统仿真学报， 2006， 18 4 951- 954， 963． ［ 4］ 蔡广杰． 大昭寺三维数字化应用初探［ J］ ． 首都师范 大学学报 自然科学版， 2009， 30 3 83- 86． ［ 5］ 赵煦， 周克勤， 闫利， 等． 基于激光点云的大型文物 景观三维重建方法［J］ ． 武汉大学学报 信息科学 版， 2008， 33 7 684- 687． ［ 6］陈秀忠， 王晏民． 太和殿 3 维激光扫描精密控制网 建立研究［ J］ ． 测绘通报， 2006 10 49 －50， 61． ［ 7］ 盛业华， 张卡， 张凯， 等． 地面三维激光扫描点云的 多站数据无缝拼接［ J］ ． 中国矿业大学学报 自然科 学版， 2010， 39 2 233- 237． ［ 8］ 施贵刚， 王峰， 程效军， 等． 地面三维激光扫描多视 点云配准设站最佳次数的研究［J］ ． 大连海事大学 学报， 2008， 34 3 64- 66． ［ 9］ 蔡润彬， 潘国荣． 三维激光扫描多视点点云拼接新 方法［ J］ ． 同济大学学报 自然科学版， 2006， 34 7 913- 918． ［ 10］ 石银涛， 程效军， 张鸿飞． 地面三维激光扫描建模精 度研究［ J］ ． 河南科学， 2010， 28 2 182- 186． ［ 11］ 贾东峰， 程效军． 三维激光扫描技术在建筑物建模 上的应用［ J］ ． 河南科学， 2009， 27 9 1111- 1114． 责任编辑李文清 091河南理工大学学报 自然科学版 2012 年第 31 卷