鄭曉敏

【摘 要】目前，我國文化工作發(fā)展迅速，技術(shù)水平也不斷提高，在傳統(tǒng)木構(gòu)架文物的變形管理中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用較為廣泛?；诖耍疚膶θS激光掃描技術(shù)進行分析，并對其在變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用展開探討。

【關(guān)鍵詞】三維激光；激光掃描；掃描技術(shù)；文物變形

三維激光掃描技術(shù)是通過激光對物體表面的信息以點云數(shù)據(jù)的形式表示出來，再經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)的分割、去噪和精簡等過程，最后對物體的三維圖像進行重構(gòu)建模。隨著逆向工程的快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、考古、建筑、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等方面的應(yīng)用越來越廣泛。

一、三維掃描技術(shù)

三維掃描這個詞來源于平面掃描，但與平面掃描使用線掃描的方式不同，三維掃描有基于點掃描的，基于單根線掃描的，基于多根線掃描的，還有基于整個面掃描的。長距離三維掃描儀通常都是基于激光脈沖飛行時間測距原理，可用于石窟寺、摩崖造像、石橋等大型石質(zhì)文物的數(shù)字化信息釆集。在實際工作中，長距離三維掃描儀可能會受到陽光、溫度、濕度、氣壓、測量角度等多種因素的影響，應(yīng)該盡量選擇穩(wěn)定、干擾少的條件進行工作。由于單次測量的數(shù)據(jù)會因文物自身形狀的遮擋存在空洞，往往需要從多個位置進行測量。為了更好地對齊測量結(jié)果，有時可以借助標(biāo)定球、標(biāo)定板等輔助手段。在大部分的工作中，長距離三維掃描儀會配合測繪儀器共同工作，以完成更大范圍的準確三維重建。與之相配套的測繪儀器可能包括全站儀、RTK（載波相位差分）、水準儀、激光跟蹤儀等。在短距離的三維掃描設(shè)備領(lǐng)域，存在多種技術(shù)實現(xiàn)。因為三維重建算法要區(qū)分的情況非常多，計算過程往往需要較多的人工干預(yù)才能實現(xiàn)預(yù)期的效果。這也是其逐漸遠離主流工作方法的重要原因之一。

二、三維激光掃描技術(shù)木構(gòu)架文物的變形監(jiān)測分析

1.變形監(jiān)測技術(shù)路線

為探求木質(zhì)承重梁柱常態(tài)性變形規(guī)律，獲取變形數(shù)據(jù)，本文提出了木構(gòu)架文物變形監(jiān)測的技術(shù)路線。為保證數(shù)據(jù)測量的準確性，在開始階段建立了永久性測量控制點與掃描標(biāo)靶點。對一定時間內(nèi)木構(gòu)架文物建筑進行變形監(jiān)測，從而可以提取連續(xù)變化量和一定時間間隔的累計變形量。本文連續(xù)變化量時間長度為一個季度，累計變形量周期為一年。為保證測量的精度，減少三維激光掃描系統(tǒng)的偶然性誤差，在多時相數(shù)據(jù)采集過程中，采用相同測量儀器、操作人員，統(tǒng)一掃描站點坐標(biāo)、儀器高度及掃描參數(shù)，控制掃描角、激光測距信號處理、目標(biāo)物體反射表面粗糙程度帶來的誤差影響。同時，對系統(tǒng)誤差引起的三維激光掃描點的坐標(biāo)偏差，可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。

2.數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用徠卡ScanStationP40三維激光掃描儀，P40融合了高精度的測角測距技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、MixedPixels混合像元技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，測角精度為8″，測距精度為1.2mm+1×10-5D，掃描速率高達每秒100萬點，掃描距離可達270m。為保證各站掃描數(shù)據(jù)具有較高精度的絕對坐標(biāo)及內(nèi)符合性，綜合考慮主題館周邊地形情況及竣工測量的精度，在主題館周邊利用青島市連續(xù)運行基準站系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)平面控制點，高程采用電子水準儀進行二等水準觀測，并以其中一個控制點RTK觀測下經(jīng)精化后的正常高作為起算點，作閉合水準平差得到各個控制點的高程。架站時充分利用現(xiàn)場地形的高差起伏使掃描視野覆蓋整個主題館，為避免激光掃描方向與被掃物體夾角過大帶來的誤差，外業(yè)應(yīng)盡量保證正直掃描。

3.數(shù)據(jù)挖掘

最初三維激光掃描參數(shù)的值通過一些專業(yè)人員憑經(jīng)驗確定，該方法速度快，而且簡單，得到的三維激光掃描參數(shù)值直觀，但是由于人為因素的影響，得到值不太可靠，主要較強的主觀性，而且自動化程度低，三維激光掃描的效率低。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些三維激光掃描參數(shù)自動、智能優(yōu)化方法。一些學(xué)者通過主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等統(tǒng)計學(xué)方法對三維激光掃描參數(shù)進行分析和優(yōu)化，找到三維激光掃描參數(shù)的最優(yōu)值，結(jié)果要比人工方法可靠，但是它們屬于線性優(yōu)化方法，而三維激光掃描參數(shù)之間一種強耦合、非線性聯(lián)，得到結(jié)果可解釋性差。為此一些學(xué)者提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射性能優(yōu)異，可以對三維激光掃描參數(shù)變化關(guān)系進行回歸和擬合，三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化精度要高于主成分分析等傳統(tǒng)方法。然而在實際應(yīng)用中，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，建立最優(yōu)結(jié)構(gòu)十分困難，經(jīng)常得到“過擬合”的三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，實際應(yīng)用的局限性非常明顯。近些年，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，出現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，其中支持向量回歸機的應(yīng)用范圍最為方法。支持向量回歸可以從大量數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏的規(guī)律，因此為三維激光掃描參數(shù)優(yōu)化提供了一種工具。

4.BIM模型的建立

（1）鏈接點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)處理以后，首先利用RevitRecap軟件將點云模型轉(zhuǎn)換為后綴名為*.rcp或者*.rcs的點云項目或點云項目索引格式；然后將點云數(shù)據(jù)作為參照鏈接插入到Revit項目中，為“族”庫以及最終完整模型的建立提供科學(xué)的參照依據(jù)。（2）建立“族”模型?！白濉笔轻槍ㄖ?gòu)件來說的，它的建立能夠使我們從宏觀的角度認識某一特定類型的建筑構(gòu)件全貌，并更直觀地展現(xiàn)某種構(gòu)件的各種分類形式。由于古建筑的各個構(gòu)件與現(xiàn)代建筑不同，這些特殊的構(gòu)件都需要我們自己創(chuàng)建“族”來實現(xiàn)，進而構(gòu)成規(guī)范化的古建筑族庫，服務(wù)于后續(xù)古建筑模型的建立。（3）建立標(biāo)高與軸網(wǎng)。標(biāo)高主要是用來確定建筑本身高度的信息，如層高、室內(nèi)外高差等，用作屋頂、樓板和天花板等以標(biāo)高為主體的圖元的參照。軸網(wǎng)是建筑制圖的主體框架，建筑物的主要構(gòu)件按照軸網(wǎng)定位排列。（4）利用scanto BIM插件識別平面。在所需識別的平面內(nèi)選擇3個以上像素較好的點，通過改變Shape Tolerance和Closeness Tolerance值來調(diào)整生成的平面至其與點云完全吻合。（5）建立完整模型。把族模型加進項目中之后，就可以根據(jù)點云信息以及標(biāo)高軸網(wǎng)的約束，將構(gòu)件放置在墻上，通過創(chuàng)建類似實例以及偏移、鏡像等功能，可以復(fù)制多個構(gòu)件滿足要求。最終將各個構(gòu)件連接，實現(xiàn)完整的BIM模型建立。（6）添加屬性信息。構(gòu)建屬性索引，將古建筑模型與古建筑全生命周期信息相關(guān)聯(lián)。屬性信息是BIM模型所特有的，也是將BIM技術(shù)應(yīng)用于古建筑數(shù)字化保護的重要一步。

三、結(jié)語

綜上所述，本文主要對木構(gòu)架文物變形管理過程中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用進行分析，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、BIM模型建立等多方面內(nèi)容，提高文物管理的實際水平。在實際應(yīng)用中，三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)木質(zhì)文物變形監(jiān)測，對其變形趨勢進行驗證，能夠為相關(guān)人員提供有力的數(shù)據(jù)參考。

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