刘立扬 卜真良

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

随着信息化及数字化技术的发展及高新技术日益广泛的应用，国内外专家对三维扫描、3D打印等新技术的研究取得了大量有价值的成果。三维点云数据形成虚拟可视化，能够在PC端及手机端随时进行浏览欣赏。通过3D打印方式得到复制品，形成物理可视化。多种可视化手段能够有效地传播及展示。测量数据得以保留，对被测物体的修复及存储有着较好的应用效果[1-4]。

1 工程概况

本项目是在一座知名美术馆中，由于艺术馆内需要翻新布置，馆内的展品要全部撤走，其中有1处地形模型的展品因体积较大无法移动，需要将其拆解，待装修完毕后重新搭建，但还原现场需要有准确的三维空间信息。三维激光扫描是一种能够采集被测物体三维信息的技术，区别于只能单方面获取平面信息的摄影，其特点是采用一种非接触式的方法，在古建筑、文物壁画、考古等领域中有良好的应用前景。

相比传统测量方法，三维激光扫描技术能够在较短的时间内获取精确的点云数据，通过衔接和去噪处理，获取被测物体完整的实体表面信息。结构光三维扫描技术区别于其他非基础测量手段，有操作简单、测量精确、效率较高等优点。结构光三维扫描技术可以根据被测物体的测量需求，选择点、线、面等不同类型，在文物保护领域有较广泛的应用。

馆方最初决定采用结构光扫描仪进行测量，但本次展品模型体积较大，进行结构光扫描仪操作较不便，而且前期需要布置云台进行扫描较烦琐，耗费的时间及精力较多。最终经过多方讨论，决定采用三维激光扫描仪配合彩色工业相机进行数据备份。

2 激光扫描技术实施要点

2.1三维激光扫描数据采集

美术馆内的空间较局促，合理布局扫描点位的方案非常关键。为了能够完整、清晰地获取展品信息，提高点云数据的质量，根据现场的扫描距离和角度，对周边的遮挡物进行清理，并对现场的灯光及反射物体进行妥善处理。地形模型是靠墙搭建的，其中有几处为重叠部分，因此扫描站点围绕着地形模型的另一侧布设。在满足x、y、z三个位面的情况下，根据地形模型坡度进行标靶球的放置，前一站与后一站之间至少有3个重叠的标靶点，扫描一站后再次放置标靶球，从而达到站点衔接的效果，再通过拟合图像的计算进行数据拼接（图1）。通过现场勘探后，根据地形情况设计了合理的扫描机位站点，将站点目标设定为10站，能够达到较高的覆盖率，满足数据精度及完整性要求。配合相机捕捉展品材质信息，通过彩色影像的像素点与三维坐标点进行拟合计算，将点云数据与色彩信息进行纹理映射匹配，最终得到包含色彩信息的点云数据模型。

图1 点云测绘现场

2.2点云数据去噪处理

点云数据的获取是以扫描仪的点位为原点坐标，其余扫描站点获取的点云数据都是独立的，只有将点云数据转换至统一坐标系中才能得到完整的三维影响数据。点云数据的拼接方法分为两类：一类是利用标靶点进行匹配；另一类是通过图像拟合计算方式进行拼接。本次采用图像拟合计算方法，通过采集两站点云之间重叠部分的几何数据，通过拟合计算将点云的拼接数据进行拼接。需注意的是，两站数据的重叠率需达到25%以上，若重叠率较小，则难以保证数据的精确度，因此对站点的布设及扫描角度具有一定的要求。

此次扫描对象的表面覆盖了一层树叶，在扫描的过程中会产生轻微的浮动，导致扫描时产生了大量的误差点。因此需要进行数据去噪，通过旋转角度进行手动剔除，将肉眼可见的噪点进行删减，但效率较低。而通过软件识别点云的反射强度进行筛选，根据反射强度的程度来区分不同的物质，针对大范围的噪点比较有效，相比手动删减节省了大量的时间。因模型表面覆盖了一层树叶，人工剔除难度较大，采用Polywork软件生成的DTM模型表面来删减地表上面的树叶，在处理过程中需要定一个高程点，最终计算此模型的适中坡度，顺利剔除了树叶噪点，得到了完整的模型表面。最后将点云数据进行平滑处理，将点云数据抽稀，降低一部分过于聚集的点云，平衡整体点云数据的稠密度，让构造看上去更协调。

2.3数据转换

基于点云数据重新在现场建立实体的展品模型，尽可能保留其细节，对色彩和纹理进行还原。二维图纸仍然是一种我们常用且熟悉的数据资料，但点云数据不能直接生成二维图纸。为此我们研究了2种技术方案，分别是通过正摄影像图建立二维图纸和通过点云封装模型建立BIM模型并输出二维图纸（图2）。

图2 点云数据转换技术路线

2.3.1 正摄影像图输出二维图纸

在点云数据处理拼接完毕后，基于InfiPoints软件对数据封装并进行柔化处理，自动合成封装数据模型，导出正摄影像图。基于正摄影像图的绘图相比传统方式在精确度上有显著提升，减少了重叠及透视的情况，并且图纸整体比例对比照片更协调。正摄影像图无法直接转换成二维图纸，需要将正摄影像图按比例导入CAD软件，根据项目需求进行平剖面的二维图纸绘制。

本项目的主体是1座地形模型展品，地平表面并不平坦，需要剖切地形截面，每间隔5 cm进行剖切，正摄影像图按照此间距进行输出。X轴总共切了47个剖面，Y轴总共切了16个剖面，正摄影像图作为参照底图在CAD中绘制二维图纸。

2.3.2 BIM模型输出二维图纸

通过正摄影像图绘制CAD图纸比传统方法更为准确，但是仍然需要人工去翻图纸，过程较烦琐。通过建立BIM模型输出图纸的方式，比人工翻图节省不少时间。BIM模型是参数化模型，牵一发而动全身，随着一处模型的更改，整体模型都会改变，不需要反复修改。

利用BIM模型的参数化优势，将封装完毕的点云数据模型导入Revit、Rhino中，将封装模型作为参照，建立BIM数据模型。在模型建立后，能够根据需求随时获取平面图、剖面图、立面图等多类型图纸，无需逐一手绘，节省了不少时间。基于BIM模型还能够进行土方量计算，碰撞检查、场地漫游等一系列应用。

2.4三维扫描数据管理平台

三维激光扫描技术不仅能够获取测量物的三维结构，还能获取测量物的表面纹理和色彩信息，但获取到的数据需要有一个可靠的展示手段，此外，还需进行数据备份，而云计算恰好可以实现数字档案馆、移动端浏览等功能。一般情况下，云计算有4种部署模型，分别是公有云、私有云、社区云、混合云。考虑成本因素，我们选用了公有云，租借有口碑的云计算服务商进行数据存储展示，其安全性也有所保证。

针对展馆建立了一个基于云计算的展品三维数据展示系统，主要分为数据采集处理模块、显示与打印模块、文档管理模块。

数据采集处理模块主要功能为点云数据采集、点云数据处理和数据分类。

显示与打印模块主要是数据的展示功能，在页面中能够实时加载轻量化模型，实现模型的可视化控制、模型信息的编制和浏览，3D打印数据通过计算机进行格式转换及打印工作。

文档管理模块可以实现对模型信息、图片和视频的应用管理，包括多媒体数据的信息统计、输出、展示等功能。

3 结语

本文对三维激光扫描技术在展馆内的数据采集和处理应用进行了研究，并对点云数据的数字化处理和展示进行应用实践。正摄影像图和BIM模型的二维图纸输出具有点云精细化与材质信息完整化的特点，2种方法对比传统绘图方法在效率及精度上都有较大的提升。

通过优化算法，高效计算在扫描过程中的误差点，采用图像拟合计算方法自动匹配到最佳位置，减少在人工操作时产生的累计误差，有效提高了点云数据的精确度。基于三维扫描数据可视化的特性，利用当下云计算、大数据等技术进行构架，形成了一个集数据管理、展示及衍生应用的信息管理平台，将数字化技术进一步进行产业化推广和应用。