文档介绍：三维激光扫描技术在古建精细建模中的应用

摘要: 近几年三维激光扫描技术在古建筑外观及内部的测量、保真,虚拟模型的建立,资料的保存等方面为越来越多的人所关注。本文以南京大钟亭的三维建模过程为例,阐述三维扫描在古建建模中的应用流程及注意事项。

大钟亭建于明洪武十五年(1382年),明亡后内部陈设多已散失。现楼基是明代原建,楼上建筑为晚清重修。大钟亭位于南京市鼓楼广场东北角,亭为重檐六角攒尖顶,灰筒瓦屋面,(从亭座上到亭顶)。本次扫描使用leica ScanStation c10扫描仪. 该仪器可以连续、自动、快速采集目标物表面的坐标和颜色属性,使得快速获取结构复杂、极不规则场景的三维模型及纹理映射成为可能。

大钟亭周围树木植被较多,综合考虑后设置了10处标靶,4个站点。其分布如图所示。数据采集过程中符合以下四点要求。
标靶布设分布均匀,可以使标靶很好地对整个场景进行控制,以提高扫描精度;保证了对任意测站有至少3个标靶与其通视。架设站点,使每个测站都能最大范围扫描到目标场景,尽量避免出现扫描死角。点云数据采集时,为方便表达出细部纹理,使用较高分辨率以获取更多采样点。leica ScanStation c10扫描仪可预设四种精度的分辨率,考虑到大钟亭的结构及其复杂、不规则,综合时间因素,使用高分辨率以获取较多采样点。,。为了更真实的表现古建的色彩,使用了索尼DSC-HX9对大钟亭各个角度拍摄照片,以方便数据处理时贴图使用。
站点标靶分布图

点云数据的处理主要包括点云的拼接,去噪。
点云的拼接方式在实践中主要有三个途径。其中通过特征点拼接误差较大,通常是在其他方法不足时的一种补充手段;标靶拼接使用较多,也灵活方便,适合相对较小的场景拼接,很方便获得统一的独立坐标系。而通过控制点进行拼接适合较大场景,可获取绝对坐标,但前提要求设站前布设控制网。大钟亭场景在100米之内,适合使用标靶拼接。使用cyclone软件可进行自动拼接,软件自动根据标靶号完成拼接,且精度高,拼接精度通常在3mm以内。此次标靶拼接精度表如下图所示:
点云的去噪是通过人工手段将没有扫描到目标场景上的杂点剔除,如遮挡的植被等。此外对目标场景表面超出限差要求的点也可以剔除。如通过geomagic中的删除体外孤点可以实现。大钟亭的去噪主要是去除植被等遮挡物上的杂点。

去噪后点云

在建模中通常可以直接在cyclone中拟合出一些规则的形状,如平面、圆球形、标准工字钢。这些适合较为规则的场景,如现代化标准建筑。大钟亭模型复杂且极不规则的,经分析这种方式不适合大钟亭建模。
使用geomagic逆向工程软件对处理后的点云进行封装,然后绘制轮廓线,构造栅格,最终拟合出复杂的nurbs曲面。这种方法适合于表面较为光滑的场景,如雕塑等,不适合大钟亭飞檐翘脚,锐利边缘的表现,因此也不适合大钟亭