侯 飛，胡召玲，劉 晴

（1.江蘇師范大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

當(dāng)前古陵墓的保護(hù)與宣傳日益受到人們的重視，為有效保護(hù)古陵墓資源，提升其保護(hù)管理水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化管理，迫切需要開發(fā)古陵墓三維計(jì)算機(jī)仿真和可視化系統(tǒng)。三維可視化系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化建模，以三維圖形或動(dòng)畫效果方式顯示，與3S技術(shù)相結(jié)合可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化分析，不僅可為古陵墓的管理、旅游資源宣傳、游客等提供管理、查詢和信息發(fā)布平臺(tái)，還可為人們進(jìn)行考古研究、考查和科普教育提供便利條件。古陵墓測(cè)量數(shù)據(jù)是三維景觀建模和可視化必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確度、精度和詳細(xì)程度直接影響三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可視化系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。古陵墓大都處于地下巷道和硐室，利用傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器如GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀不僅很難在墓道里施工測(cè)量，還要花費(fèi)大量的人力、物力，占用大量的時(shí)間，影響景區(qū)的旅游參觀，因此需要發(fā)展新的測(cè)量技術(shù)用來獲取古陵墓的空間數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)是一種新興的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，它集成了多種高新技術(shù)，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，以點(diǎn)云形式快速獲取被測(cè)對(duì)象表面陣列式幾何圖形的單位數(shù)據(jù)。它的核心部分是三維激光掃描儀，具有非接觸性、快速性、主動(dòng)性、數(shù)據(jù)采集的高密度性、方便操作及攜帶等特性［1］。目前已被應(yīng)用于古建筑保護(hù)［1－2］、建筑物的三維建模［3－4］、開采沉陷盆地的獲?。?］、海底隧 道的安 全監(jiān)測(cè)［6］、林木測(cè)量［7］、工程監(jiān)理測(cè)量［8］等方面。三維激光掃描技術(shù)如同對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行復(fù)制而獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的可靠性高［8］。本文以徐州市獅子山楚王陵為例，基于Leica HDS公司的ScanStation C10三維掃描系統(tǒng)，提出了基于三維激光掃描技術(shù)的古陵墓可視化技術(shù)流程，研究了古陵墓空間數(shù)據(jù)獲取與處理、三維景觀建模與可視化實(shí)現(xiàn)的方法。

1 研究區(qū)概況

楚王陵是徐州市獅子山楚王陵風(fēng)景區(qū)的核心景點(diǎn)，它是西漢早期分封在徐州的第三代楚王劉戊的陵墓，位于其西側(cè)300m遠(yuǎn)的漢兵馬俑則象征著衛(wèi)戍楚王陵的部隊(duì)。它位于徐州市東三環(huán)附近獅子山南麓，交通便利，環(huán)境優(yōu)美。楚王陵鑿石為室，穿山為葬，墓室嵌入山腹內(nèi)深百余米，規(guī)模龐大，氣勢(shì)恢宏，建筑結(jié)構(gòu)奇特。墓室的形制和結(jié)構(gòu)也極力模仿現(xiàn)實(shí)中的地面住宅，墓道兩側(cè)有12間總面積為850m2的地下墓陵，墓道盡頭有間墓室里存放楚王銅像和各種古代娛樂設(shè)施，墓道出口處地面上用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建成大型仿古式建筑。

2 技術(shù)流程

整個(gè)技術(shù)流程分為古陵墓外業(yè)數(shù)據(jù)采集與處理、三維景觀建模、三維可視化3部分，具體如下：利用三維激光掃描儀獲取研究區(qū)的外業(yè)測(cè)繪三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在三維激光掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與建模軟件Cyclone7.0中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、配準(zhǔn)、拼接等預(yù)處理后，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成古陵墓表面的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）；將TIN導(dǎo)入三維建模軟件Google SketchUp中，依照楚王陵各景觀的實(shí)際形狀、尺寸和表面結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行幾何建模，再賦以真實(shí)的模型材質(zhì)，形成古陵墓三維景觀模型，將古陵墓模型與利用等高線生成的真實(shí)感地形和附屬設(shè)施相疊加，構(gòu)建完整逼真的古陵墓三維景觀模型；將三維景觀模型分批導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Lumion 3D中，實(shí)現(xiàn)三維景觀的可視化。技術(shù)流程如圖1所示。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

利用Leica HDS ScanStation C10掃描系統(tǒng)進(jìn)行楚王陵外業(yè)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，在保證掃描精度的同時(shí)，為了減少工作量和數(shù)據(jù)冗余，應(yīng)合理布設(shè)和選擇掃描測(cè)站的數(shù)目、掃描測(cè)站的位置、標(biāo)靶位置和掃描測(cè)站的目標(biāo)及掃描分辨率等。

根據(jù)墓道的位置及形狀等特點(diǎn)，此次掃描共設(shè)11個(gè)測(cè)站，每站設(shè)置4個(gè)球形標(biāo)靶，以使在此后進(jìn)行的模型拼接過程中，數(shù)據(jù)具有合適的重疊度，目標(biāo)掃描的掃描點(diǎn)距設(shè)置為5cm。圖2是在其中的一個(gè)測(cè)站掃描所獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和拼接

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)在采集過程中受到掃描系統(tǒng)、掃描環(huán)境等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生許多噪聲，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接前，先對(duì)各測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)分別進(jìn)行去噪處理，利用掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone7.0進(jìn)行去噪處理后，然后再對(duì)標(biāo)靶數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，楚王陵拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 景觀建模與可視化

4.1 創(chuàng)建TIN和三維景觀模型

古陵墓中的建筑物、墓道、銅像等物體大多是不規(guī)則的幾何體，不能直接采用Cyclone軟件中常用的三維模型組件（如柱體、球體、管狀體、長(zhǎng)方體等立體幾何圖形）進(jìn)行古陵墓三維模型的構(gòu)建。采用Cyclone軟件的TIN多邊形算法，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建古陵墓的不規(guī)則三角形，生成TIN。

古陵墓三維景觀建模是按可視化的要求，虛擬呈現(xiàn)古陵墓中各景物實(shí)體，本文根據(jù)所生成的TIN，采用Google SketchUp軟件構(gòu)建三維景觀模型。Google SketchUp是Google公司于2006年推出的方便易用且功能強(qiáng)大的極具特色的三維建模軟件，其界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，命令簡(jiǎn)單，形成的模型為單面多邊形類型，能與Google Earth有機(jī)結(jié)合［9］。借助它的貼圖功能，可以快速建立非常逼真的三維景觀模型，在大場(chǎng)景建模中，它的優(yōu)越性表現(xiàn)得尤為突出，特別適合于建筑物、園林等景觀的三維建模，通過SketchUp ESRI插件，還可以將SketchUp中的場(chǎng)景導(dǎo)入到ArcGIS中，開發(fā)出三維GIS系統(tǒng)。

楚王銅像是楚王陵中重要的景觀之一，形狀極其復(fù)雜，經(jīng)三維激光掃描儀進(jìn)行精掃描獲得大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Cyclone軟件的TIN多邊形算法，利用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建出銅像的不規(guī)則三角形，生成TIN，共計(jì)48415個(gè)三角形。將TIN數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Google SketchUp中，建立銅像的三維景觀模型。SketchUp中的建模過程包括幾何建模和紋理貼圖兩部分。幾何建模表達(dá)了景觀的幾何框架，就是根據(jù)景觀的位置、形狀以及高度信息構(gòu)建建筑物的基本輪廓，紋理貼圖則是要在其表面或內(nèi)部賦上紋理圖片使其更加真實(shí)，展現(xiàn)三維景觀的視覺效果。紋理圖片是到現(xiàn)場(chǎng)用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)（1200萬像素）拍攝獲得，由于整個(gè)楚王陵中的景觀紋理圖片有幾百?gòu)?，?shù)據(jù)量達(dá)到GB級(jí)，為方便使用，須對(duì)每張圖片的數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮，大小進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于受景觀高度、拍攝距離等因素的影響所拍攝出的斜拍圖片，要通過仿射變換處理將斜拍圖片變換成直拍圖片。

先根據(jù)銅像的TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何建模，構(gòu)建其精細(xì)輪廓，然后將處理后的紋理圖片導(dǎo)入到Sketch－Up材質(zhì)庫(kù)中，通過設(shè)置貼圖坐標(biāo)調(diào)整貼圖的具體位置和尺寸，并利用曲面貼圖、包裹貼圖、吸管工具等高級(jí)貼圖方式調(diào)整貼圖效果。楚王銅像的三維景觀模型如圖4所示。

圖4 楚王銅像的三維景觀模型

4.2 可視化的實(shí)現(xiàn)

三維可視化是指將計(jì)算機(jī)處理和生成的三維數(shù)據(jù)在屏幕上顯示并進(jìn)行交互處理的過程。人機(jī)交互不僅允許用戶指定屏幕上的物體，而且還可以通過鼠標(biāo)或鍵盤移動(dòng)、選擇等方式操作這些物體，以實(shí)現(xiàn)用戶在不同角度、不同方位、不同距離的情況下對(duì)其進(jìn)行全方位的觀察與分析。

將在SketchUp中生成的三維景觀模型導(dǎo)入到可視化軟件Lumion中，實(shí)現(xiàn)古陵墓景觀的三維可視化，Lumion軟件是荷蘭ACT－3D公司于2010－12－01正式發(fā)布的建筑可視化軟件，它是一個(gè)實(shí)時(shí)的三維可視化工具，能夠提供優(yōu)秀的圖像質(zhì)量，并將快速和高效的工作流程結(jié)合在了一起，為用戶節(jié)省時(shí)間、精力和開發(fā)成本。通過該軟件，人們能夠直接在自己的電腦上從Google SketchUp、Autodesk產(chǎn)品（3DSMAX或者M(jìn)AYA）及其它的3D軟件中將3D內(nèi)容導(dǎo)入Lumion中創(chuàng)建逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，然后通過GPU高速渲染方式來生成高清電影，Lumion用更快的速度、更高的質(zhì)量大幅降低了制作時(shí)間，并且可以用視頻播放方式展現(xiàn)作品驚人的可視化效果。

由于受計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的限制，在顯示大范圍、高精度的三維場(chǎng)景時(shí)，會(huì)出現(xiàn)屏幕停頓、卡屏、顯示緩慢等現(xiàn)象，為此，必須采用一定的技術(shù)方法解決上述問題，提高三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)顯示效率，本文采用無損壓縮三維數(shù)據(jù)信息量法來提高三維數(shù)據(jù)顯示速度。楚王陵入口處的視頻顯示效果如圖5所示。

圖5 三維視頻效果

5 結(jié)束語

基于ScanStation C10脈沖式三維激光掃描儀獲取徐州市獅子山楚王陵的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于Google SketchUp軟件構(gòu)建了三維景觀可視化模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Lumion 3D實(shí)現(xiàn)了楚王陵的三維可視化。結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)作為一種新的測(cè)量手段和技術(shù)，能快速、有效地獲取古陵墓的高分辨率三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，可構(gòu)建精準(zhǔn)的古陵墓三維景觀模型，并進(jìn)一步開發(fā)出古陵墓的三維可視化系統(tǒng)。如何在保證掃描精度的同時(shí)，減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)處理和三維景觀建模的效率，還值得進(jìn)一步研究。掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone7.0也存在不足，所生成的TIN數(shù)據(jù)不能直接導(dǎo)入到SketchUp軟件中進(jìn)行景觀建模，還需要通過AUTOCAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，這樣增大了數(shù)據(jù)處理的工作量。

［1］周華偉，朱大明，瞿華鎣.三維激光掃描技術(shù)與GIS在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2011（6）：73－76.

［2］劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪工程，2006，15（1）：48－49.

［3］劉求龍，胡伍生，王驄，等.三維激光掃描儀在惠泉變電站三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011，36（2）：210－212.

［4］吳靜，靳奉祥，王健.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模［J］.測(cè)繪工程，2007，16（5）：57－60.

［5］陳冉麗，吳侃.三維激光掃描用于獲取開采沉陷盆地研究［J］.測(cè)繪工程，2012，21（3）：67－70.

［6］侯海民.三維激光掃描儀在青島膠州灣海底隧道的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2010，30（6）：693－696.

［7］李超，程浩，王芳.三維激光掃描儀在林木測(cè)量方面的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011（11）：84－85.

［8］聞?dòng)揽?，陸益紅，孫徳鴻，等.三維激光掃描技術(shù)在監(jiān)理測(cè)量中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011（9）：89－90.

［9］馬亮.中文版Google Sketch pro8.0完全自學(xué)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2012