权玲，张官进 （.安徽理工大学，安徽 淮南 3000；.安徽科技学院，安徽 滁州 3300）

0 引言

古建筑在中国文化中占据举足轻重的地位，更是世界建筑文化中不可缺少的部分，承载着国人的智慧，寄托着“国”和“家”的思念，其价值不言而喻。建筑物在破损修缮、异地重建过程中，因传统测量方法的限制而费时费力，三维激光扫描技术的零接触、大数据、高性能等特点，在古建筑的保护中发挥显著优势，国内外研究人员对点云数据在建筑物模型重建中的应用进行了深入探索。文献[5]以西北民族大学蝴蝶厅异地重建项目为例，提出了室内外一体化三维建模的研究思路；文献[6]以朱德故居为例，阐述了基于三维激光扫描技术的古建筑精细数字化建模过程；文献[7]提出基于激光三维扫描的建筑空间结构虚拟重建系统；文献[8]针对瓮城古城墙内侧包砌城砖的损失问题，提出了一种扫描古城墙数据的实地采集、拼接去噪、修补孔洞以及三维建模的方法；文献[9]以沈阳金融博物馆，利用三维激光扫描技术进行数据处理、建模。

本文以安徽理工大学“红楼”为例，在“红楼”拆除前利用HS650三维激光扫描仪完成了数据的采集，并结合HD-3LS-SCENE、AUTODESK Re Cap 与3Dmax三款软件进行模型重建。以期为“红楼”数字化存档和后期异地重建工作提供参考依据。

1 建模流程

主要流程：准备工作、数据采集、数据处理、建模。建模流程如下图所示。

三维建模流程

①准备工作。主要包括确定扫描仪最佳扫测距离、测区踏勘、扫描点选择、布设标靶、确定扫描参数。

②数据采集。每测站设置合理扫描区域，保证测站间的最佳扫测重合度，同时拍摄建筑物照片，做好记录。

③数据处理。数据处理质量决定建模精度，使用中海达HD-3LS-SCENE软件拼接、去噪。

④建模。将处理后的数据经AUTODESK Re Cap压缩、转换格式后，导入3Dmax建模，并进行纹理贴图。

2 基于三维点云的建模

安徽理工大学“红楼”位于老校区中央，共三栋。开工于1950年，与县级淮南市同时诞生；落成于1952年，与市级淮南市一起到来。是淮南城市发展的见证，是淮南市的历史文化建筑。这三栋“红楼”，集苏式风格和中式对称审美元素于一体，因红砖红瓦的中国红元素，称为“红楼”，颇具美学价值，2019年已全部拆除。

2.1 点云数据的获取

①确定扫描距离。数据采集前，通过实验确定数据采集的最佳距离。在相同外部条件下，扫描仪分别在10 m，30 m，50 m，100 m，125 m，150 m距离处进行扫描，每个距离扫描5次取平均值，同时在设站处使用全站仪进行测量。根据扫描、测量结果，计算各距离扫测中的误差及内、外符合精度。结果表明，100 m范围内，扫描仪精度及稳定性较高，距离越近，精度越高，符合建模精度要求。综合考虑精度及外业扫描工作量，确定25 m为三维建模时数据采集距离。

②现场踏勘。“红楼”周边绿植较多，部分墙体被树木遮挡，增大了数据采集的难度。测站数多，固然能获取足够数据，但数据冗余度大；同时，测站过多，会降低测站整体拼接精度。

③扫描点布设。结合现场踏勘情况，挑选合适角度，最终确定四个扫描点，分别位于“红楼”的四角。

④布设标靶。点云拼接时，需要标靶提供特征点。标靶不能集中，必须均匀分布，拼接时需要三个以上标靶同时出现在两个测站内，并且标靶不能在同一直线上。

⑤数据采集。数据正式采集前，先预扫，确定扫描角度，同时确定扫描参数，保证数据充足而不冗余、数据精度高。数据采集时，每个测站做好详细记录，如遇突发情况，随时暂停并重测。点云采集完成后，进行纹理采集，采用高分辨率照相机，控制拍摄角度、拍摄光线、所拍墙体部位，确保纹理完整、清晰。

2.2 数据处理

①点云拼接。拼接时需要确定至少三个同名点，组成大致等边三角形。结果显示，X、Y、Z三个轴向的拼接精度，最大为1.3cm，最小为0.08cm，整体拼接误差为0.3mm，拼接精度较高。

②点云降噪。三维扫描点云数据量特别大，在扫描中，虽然已经进行最优设置，但仍然存在很多与建模无关的数据，除建筑物与标靶外，任何数据都是多余的。这些多余的数据会造成数据处理较慢、建模精度低，应当删除。在软件中，肉眼识别噪声点与软件识别噪声点相结合，删除所有噪声点，降噪后，点云数据减少了百分之八十。

2.3 建模

点云数据拼接与降噪后，经AUTODESK Re Cap处理、转换格式，导入3Dmax软件中建模，三维模型完成后，进行二维纹理贴图。

①建模。处理后数据导入3Dmax软件中，确定模型外部轮廓线，包括底部、上部等边缘线，构成楼体的轮廓。轮廓线进行实体填充后，生成白膜。

②贴图。贴图是为了使模型更加美观、真实。在3Dmax软件中，导入处理后的纹理图片，进行渲染、UVW贴图，获得“真实”“红楼”模型。

3 模型评价

模型评价包括两个方面，一是尺寸精度，二是纹理贴图效果。评价精度，需要模型尺寸与真实建筑物尺寸相比较，确定二者尺寸误差是否在精度允许范围内。“红楼”模型尺寸可以在软件中直接量测，实体数据使用全站仪测得，多次测量取均值。部分数据如上表所示。

模型与实体尺寸偏差

如上表所示，单个物体和墙面与墙面之间扫描清晰，数据易采集，精度较高；窗户对角线数据可以反映模型变形情况，从表中可以看出，模型尺寸还原度高，几乎没有形变。整体考虑，模型尺寸与实体尺寸差值均在5cm范围内，精度较高，符合精度要求。

纹理贴图效果评价，将现场拍摄的高精度照片作为主要参考标准，并结合实物材质及岁月痕迹，考查纹理与实物是否相符、清晰。结果表明，贴图效果与实体基本保持一致，贴图效果较好。

4 结语

基于零接触现代测量技术完成安徽理工大学“红楼”的三维重建，得出以下结论。

①零接触现代测量技术结合专业软件，建模速度快、精度高，模型可以360°旋转，得到任何角度的效果图，真实感强。

②数字化的“红楼”便于存档，也可以做成虚拟漫游演示效果供校友欣赏，为“红楼”的未来提供更多可能。