基于三维激光扫描技术在古迹保护中的应用

来源: 发布时间:2019-08-08 09:35:49

  摘要:本文以项目实践出发对比分析了传统RTK技术和三维扫描技术在古迹保护中优劣体现,通过三维扫描技术实现三维建模以及提取点云数据导入绘图软件绘制古石冢石墙二维线划图,对三维激光扫描技术在古构筑物现场测绘所,数据采集、拼接、去噪、导入成图各环节实施方法,以研究三维激光扫描技术在古迹保护中的特殊作用。

  关键词:三维激光扫描技术,云数据,RTK技术,三维建模,数据分析

  一、三维激光扫描技术概述

  (一)工作原理

  三维激光扫描技术是GPS之后地图绘制技术的又一次革命。它通过高速激光扫描原理快速获取被测物体的大量高精度三维坐标数据。快速对被测目标三维建模及绘制平、立、剖等各种图纸所需数据。通过传统测量测得的数据的最终输出是二维结果,与传统测量不同的是由3 D激光扫描仪测量的数据不仅包含平面位置(X坐标,Y坐标)和高程(Z坐标)的信息也同步 R, G, B颜色信息,并且还反映对象的反射率信息。换言之,三位扫描所扫描点云数据给我们的感官感受就是目标体的含带海量特征点坐标的实景照片。这种全面的信息给人的印象是物体实际上是在计算机中再现的,这是传统测量所无法企及的。

  (二)三维激光扫描技术在古迹保护中的优点

  1、三维激光扫描仪可以真实记录考古发掘现场,既有实景效果又有精密三维坐标定位。2、非接触式 三维激光扫描技术对观测目标无需直接接触,避免了对古迹文物造成二次伤害。3、建立的三维模型可以保存为真实文物的副本,对文物的保护,修复和研究具有重要意义。 4、还可以对被破坏的文物进行“数字修复”,以便人们可以在被计算机摧毁之前“看到”这些雕像的外观。3D数字模型还可用于虚拟演示和互联网的漫游

  二、本项目采用三维激光扫描技术和RTK数据对比分析

  本项目测绘了阖闾古城龙山石墙,长度达2公里。鉴于石墙绵延分布于山顶丛林中,筑于古冢之上,年代久远,常规RTK测绘一是接收信号受到树木干扰;二是古迹年代久远安置设备于古墙上易造成二次受损;三是古墙蜿蜒分布不规则测点太多,成图难以恢复古迹原貌,而三维激光扫描技术的“非接触式”、“点云”特点符合本项目要求,鉴于甲方对精度方面有所顾虑,我们采用RTK采集的坐标点与三维激光扫描得到同名点进行精度验证和对比。

  1、 所用仪器设备: 本项目采用 Trimble- R8 GNSS、中海达 V8、三维激光扫描仪 Focus3 D120, 处理软件 FARO Scene4.8×32/×64后扫描数据处理, 如过滤,拼接,去噪,扫描成色,拟合,表面分析等。 从数据到颜色,整个点云完全自动化,操作简单,内业处理摆脱了传统的手工连线勾画。

  2、 实施步骤:

  图1 RTK测量和三维激光扫描实测步骤

  3、扫描注意事项:(1)踏勘时,要分析地形特征,清理杂草,灌木,石块等杂物。确保扫描视野内的能见度条件,合理设置扫描位置,避免出现扫描盲点。确保重要的地形不会出现在盲点中。(2)扫描不同部分适用不同分辨率。例如,具有平坦表面的墙壁或石头可以以小分辨率(通常2cm)使用。然而,对于具有小尺寸和复杂结构的结构,使用相对密集的点云表示(mm级)。有时甚至需要使用最大扫描密度进行扫描(例如,在浮雕,柱子等上)。(3)控制点布设相邻之间要相互通视,站点保证沿石墙两侧不超过20m。(4)标靶利用平面和球形两种反射标靶,尽可能正面扫描标靶,以获取高精度数据。

  4、控制测量:本研究平面控制测量采用C级GPS平面控制网精度布设,联测无锡市城市控制点,高程控制采用GPS拟合高程。沿石冢石墙两侧5-20米分布,共布设49个控制点,每个控制点精度要求为:①平面位置中误差不得大于5cm;②高程中误差不得大于5cm。

  5、施测方法:选取12个分布于石墙不同位置特征点,分别架设三维激光扫描仪于基准点扫描获取特征点相对应的标靶球点云数据、通过拟合球体方式提取出点云中标靶球的球心坐标,如图2,图3所示:

  图2 标靶球点云数据 图3 标靶球球心坐标

  然后将GPS采集到的坐标与点云中对应点坐标进行比对,得到精度对比结果如表1所示:

  表1 GPS和点云数据精度对比分析表

  编号GPS空间坐标值点云空间坐标值同名点坐标差(单位:米)

  X(GNSS)Y(GNSS)Z(GNSS)X(点云)Y(点云)Z(点云)XYZ

  164163.83238115.64543.779564163.86938115.65943.8075-0.037-0.014-0.0280

  263772.25438371.28885.668563772.29838371.30085.6645-0.044-0.0120.0040

  363778.89339258.823144.944563778.92239258.826144.9262-0.029-0.0030.0183

  463534.37939642.76793.497563534.40039642.79093.4972-0.021-0.0230.0003

  563501.38139942.733155.239563501.33239942.765155.20400.049-0.0320.0355

  663421.87739945.890140.083563421.90639945.878140.0644-0.0290.0120.0191

  763176.64840022.07795.136563176.64240022.04095.11700.0060.0370.0195

  864055.85540275.972134.075564055.88040276.000134.0823-0.025-0.028-0.0068

  963907.08440310.539128.509563907.06740310.555128.51330.017-0.016-0.0038

  1063686.68840344.574152.647563686.70040344.536152.5910-0.0120.0380.0565

  1163646.23040516.166101.266563646.20740516.144101.27700.0230.022-0.0105

  1264220.31740644.41984.693564220.32940644.38084.7094-0.0120.039-0.0159

  从对比结果可以看出除了第10号点偏差略超过5厘米外,其余坐标偏差均小于5厘米,参考相关测量标准及规范此成果完全可以满足本项目的精度要求。作为古迹数据采集的第一现场,所采集的数据资料信息是作为古迹修复保护的首要来源,三维激光扫描技术这种有别于传统单点定位技术,点线测绘,已经逐渐取代传统的文保测绘方式,对古迹展示,修复,存档,互联网传递起着越来越重要的地位。

  三、成果提交及应用

  本项目龙山石冢石墙点云数据通过3D激光扫描收集。 可作为阖闾古城考古研究原始资料进行存档,同时,点云作为扫描对象的全数字实时模型可以实现对石冢石墙的真实测量。在考古发掘的不同阶段,扫描挖掘现场可以实现考古发掘的动态管理和考古过程的数字化再现。在建筑遗产保护领域,可以通过高精度地面控制网络实现对古迹遗产的连续扫描监测。

  图4 土墩墓三维扫描示意图

  对三维激光扫描所得点云,利用处理软件 FARO Scene进行拼接、去噪,实现三维建模,对于局部古墙体的绘制,在点云上直接标测图纸所需的长度,宽度和高度数据,然后通过绘图工具绘制平面图和立面图;对于古墙体和石冢剖面图,根据扫描正射点云提取“切片”,将点云切片导入图形绘制软件(如 AUTO- CAD或BIMRevit 软件),以形成用于保护,修复和存档的二维线划剖面图。由于龙山石冢石墙蜿蜒分布于山顶呈狭长不规则带状,每站扫描受视距局限以及精度保证,每站扫描纵长不能超过30m,而且石墙年久失修,风化破损严重,鉴于此,扫描两站视距交接地带应增大分辨率,内业拼接时反复校对调整以满足精度要求。

  四、结论

  三维激光扫描技术具有许多传统测量方法所没有的优点,改变了传统的测量作业模式,“外业”、“内业”界限不再那么明显,三维扫描内置处理软件,在外业现场就可以通过软件进行点云拼接、降噪、三维建模;实现批量采集,重点扫描。 “非接触式”工作方式避免了对古迹的二次损害,有利于古迹的保护,点云数据导入绘图软件三维建模,以及绘制所需的平、立、剖二维线划图,可在不同阶段的扫描中及时更新,不论是三维建模还是二维线划图,作为古迹保护、修复、挖掘、异地复建或者是展览、演示都起着非常重要的作用。

  参考文献

  [1]旷中平 基于地面三维激光扫描技术在考古遗迹中的应用研究,科技风 2014(9)

  [2] 韩文泉, 胡伍生, 陈昕, 地下空间激光扫描点云精度对比分析[J]. 测绘通报, 2017(12):72-76

  文章来源:http://www.kjfzz.net/nd3604.html


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