應用三維模型的古建筑論文

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1前述

古建筑修復工作首先需要對古建筑進行完整的測繪并數據存檔,利用存檔數據進行研究和修復。古建筑測繪工作主要針對研究對象的完整基礎性數據,如空間環境、古建筑局部細節等。傳統測量手段需要借助反射棱鏡等工具進行單點測量，單點的測量費時較長，甚至要花幾分鐘的時間對一點的坐標進行測量。三維激光掃描儀利用激光測距原理，直接對被測物體進行快速掃描，獲得高精度的三維數據，數據信息包含X,Y,Z坐標和物體反射率的信息，因此三維激光掃描技術具有快速、非接觸性、高精度等特點。

2采集點云數據

為了完整采集古建筑物的建筑信息，通常需要分站多角度進行掃描。首先根據需要掃描的范圍和三維激光掃描儀的掃描參數，設計掃描控制網，布設掃描站點時應有利于減少測量誤差，提高點云數據拼接的質量。為確保整體掃描質量，相鄰兩站之間數據應有30%左右的重合度，同時相鄰兩站間至少應有三個不同線的公共靶標。實施掃描過程中，在設定站點上架設三維激光掃描儀時，應注意避免掃描激光束與物體間夾角過小而造成掃描精度下降，同時掃描儀不要被其他物體過度遮擋。掃描時應根據掃描對象的復雜度選擇不同的掃描參數，如表面細節豐富的物體應采用高分辨率掃描，表面特征平滑物體宜采用低分辨率掃描，以加快掃描速度。因目前三維激光掃描儀還沒有辦法直接獲取顏色信息，每站掃描結束后，可根據需要對掃描區域進行拍照存檔，以獲取物體的色彩和紋理信息。

3點云拼接

隨著測量距離的增加，三維激光掃描的掃描精度受環境影響呈下降趨勢，因此復雜的建筑物需要多站掃描,每站掃描數據均是獨立坐標，需要進行拼接，統一到同一坐標系。拼接時，以其中任一站作為控制網坐標的基準點云，其余測站點云與基準點云兩兩配準。為了提高拼接精度，通常采用靶標拼接，點云間的拼接精度可達1毫米，如圖1所示。但由于掃描過程中可能出現靶標遮攔或測量角度過大的情況，無法使用靶標進行拼接，此時需要利用兩站點云中公共區域的相同特征點配準。

4三維模型的建立

利用三維點云重構三維模型,通常有兩種方法：(1)模型匹配法：此方法自動程度較高，從點云抽取出模型部分，與常用的三維模型組件（如柱體、錐體、長方體等）進行自動匹配處理，達到建立三維模型的目的。這種自動匹配方法適用于具有規則形狀的對象。(2)古建筑多為不規則形狀，需要先對點云數據進行去噪、重采樣等處理，生成高精度三角網格模型，利用Nurbs等擬合算法生成建筑的曲面模型。本方法可生成高精度模型。最后利用映射功能可將照片中的顏色、紋理信息投影至三維點云數據上，生成具有真實紋理的三維模型。

5三維模型的修復

古建筑因為年代久遠，會造成部分損壞，利用三維網格模型，根據周圍網格信息，對其進行修復、調整，可以得到較準確的數字模型。由于古建筑物結構復雜、表現特征豐富，難以實現網格的自動化修補。針對點云數據的修復主要采用兩種方法:(1)如果損壞出現在較平滑區域，如墻體時，可采用線性插值法填補缺乏數據；(2)如果損壞出現在非平面區域，首先根據周圍網格信息計算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法進行插值，并使用周圍點的顏色信息采用雙三次插值算法計算新生成網格點的顏色信息，達到較好的修復效果。

6結束語

三維激光掃描技術目前已廣泛應用于地質測量、城市建筑測量、飛機船舶制造等領域，但該技術在古建筑中的修復應用尚缺少足夠的參考案例，物體掃描精度與模型修復的完整度之間的關系、缺乏數據的重估精度分析等工作仍需要更深入的研究。

作者：謝朝陽單位：西南科技大學土木工程與建筑學院