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1前述

古建筑修復(fù)工作首先需要對古建筑進(jìn)行完整的測繪并數(shù)據(jù)存檔,利用存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和修復(fù)。古建筑測繪工作主要針對研究對象的完整基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),如空間環(huán)境、古建筑局部細(xì)節(jié)等。傳統(tǒng)測量手段需要借助反射棱鏡等工具進(jìn)行單點(diǎn)測量，單點(diǎn)的測量費(fèi)時較長，甚至要花幾分鐘的時間對一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)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(jìn)行快速掃描，獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包含X,Y,Z坐標(biāo)和物體反射率的信息，因此三維激光掃描技術(shù)具有快速、非接觸性、高精度等特點(diǎn)。

2采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)

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(jìn)行掃描。首先根據(jù)需要掃描的范圍和三維激光掃描儀的掃描參數(shù)，設(shè)計(jì)掃描控制網(wǎng)，布設(shè)掃描站點(diǎn)時應(yīng)有利于減少測量誤差，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的質(zhì)量。為確保整體掃描質(zhì)量，相鄰兩站之間數(shù)據(jù)應(yīng)有30%左右的重合度，同時相鄰兩站間至少應(yīng)有三個不同線的公共靶標(biāo)。實(shí)施掃描過程中，在設(shè)定站點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀時，應(yīng)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(yīng)根據(jù)掃描對象的復(fù)雜度選擇不同的掃描參數(shù)，如表面細(xì)節(jié)豐富的物體應(yīng)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(jié)束后，可根據(jù)需要對掃描區(qū)域進(jìn)行拍照存檔，以獲取物體的色彩和紋理信息。

3點(diǎn)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(huán)境影響呈下降趨勢，因此復(fù)雜的建筑物需要多站掃描,每站掃描數(shù)據(jù)均是獨(dú)立坐標(biāo)，需要進(jìn)行拼接，統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系。拼接時，以其中任一站作為控制網(wǎng)坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)云，其余測站點(diǎn)云與基準(zhǔn)點(diǎn)云兩兩配準(zhǔn)。為了提高拼接精度，通常采用靶標(biāo)拼接，點(diǎn)云間的拼接精度可達(dá)1毫米，如圖1所示。但由于掃描過程中可能出現(xiàn)靶標(biāo)遮攔或測量角度過大的情況，無法使用靶標(biāo)進(jìn)行拼接，此時需要利用兩站點(diǎn)云中公共區(qū)域的相同特征點(diǎn)配準(zhǔn)。

4三維模型的建立

利用三維點(diǎn)云重構(gòu)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(diǎn)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(jìn)行自動匹配處理，達(dá)到建立三維模型的目的。這種自動匹配方法適用于具有規(guī)則形狀的對象。(2)古建筑多為不規(guī)則形狀，需要先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、重采樣等處理，生成高精度三角網(wǎng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)上，生成具有真實(shí)紋理的三維模型。

5三維模型的修復(fù)

古建筑因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，會造成部分損壞，利用三維網(wǎng)格模型，根據(jù)周圍網(wǎng)格信息，對其進(jìn)行修復(fù)、調(diào)整，可以得到較準(zhǔn)確的數(shù)字模型。由于古建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表現(xiàn)特征豐富，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動化修補(bǔ)。針對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)主要采用兩種方法:(1)如果損壞出現(xiàn)在較平滑區(qū)域，如墻體時，可采用線性插值法填補(bǔ)缺乏數(shù)據(jù)；(2)如果損壞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，首先根據(jù)周圍網(wǎng)格信息計(jì)算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法進(jìn)行插值，并使用周圍點(diǎn)的顏色信息采用雙三次插值算法計(jì)算新生成網(wǎng)格點(diǎn)的顏色信息，達(dá)到較好的修復(fù)效果。

6結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)測量、城市建筑測量、飛機(jī)船舶制造等領(lǐng)域，但該技術(shù)在古建筑中的修復(fù)應(yīng)用尚缺少足夠的參考案例，物體掃描精度與模型修復(fù)的完整度之間的關(guān)系、缺乏數(shù)據(jù)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(xué)土木工程與建筑學(xué)院