基于激光扫描技术的城市古建筑三维重建

7．4　基于激光扫描技术的城市古建筑三维重建

三维激光扫描仪的出现，掀起了一场遥感领域立体测量技术的革命，它克服了传统技术的局限性，能够对实物进行立体扫描，解决了将现实世界快速地转换成计算机可以处理的数据。与传统数字化方法相比，它的速度快、实时性强、精度高，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。三维激光扫描技术的发展为空间信息的获取提供了全新的技术手段。

激光扫描技术与惯性导航系统(INS)、全球定位系统(GPS)、电荷耦合(CCD)等技术相结合，在大范围数字高程模型(DTM)的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强劲的优势。机载激光扫描系统主要用于快速获取大面积三维地形数据，实时、准确、快速地获取数字高程模型(DTM)。在机载激光扫描系统中，激光扫描测量系统与DGPS系统、INS系统以及CCD数字相机集成在一起，激光扫描系统获得地面三维信息，DGPS系统实现动态定位，INS系统实现姿态参数的测定，CCD相机获得地面影像。在地面测量系统中，将激光扫描测量系统搭载到固定平台上，在空间目标三维重建中可发挥重要作用，主要用于城市三维重建和局部区域地理信息获取。

三维激光扫描技术采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，在文物保护领域具有非常广阔的应用前景及重要的社会、经济意义。利用三维激光扫描技术，将珍贵文物的几何、颜色、纹理信息记录下来，构建虚拟的三维模型，不但可以使人们通过虚拟场景漫游，仿佛置身于真实的环境中，可以从各个角度去观察欣赏这些历史瑰宝，而且还可以为这些历史遗迹保存一份完整、真实的数据记录，一旦遭受意外破坏，我们也可以根据这些真实的数据进行修复和完善。比较典型的项目有美国斯坦福大学利用三维激光扫描技术实施“数字化米开朗基罗”项目、美洲考古研究所以及匹兹堡大学艺术史学的专家重建的虚拟庞贝博物馆等。我国在文化遗产数字化方面也有显著的成就，如中国故宫博物院、敦煌洞窟文物管理部门已经启动了利用三维激光扫描技术实现文物展示和保护的相关项目。

利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、不同点云数据的特性，三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲，整个数据处理过程主要包括:数据采集、不同测站数据配准与融合、几何模型重建与后处理、纹理映射。

1．数据采集

目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，如美国的Leica公司、3D DIGITAL公司、Polhemus公司等，奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法国的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亚的I-SITE公司等。这些产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同。使用时可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪的产品。图7-32为三维激光扫描仪获取的某古建筑的点云数据。

图7-32　三维激光扫描仪获取的某古建筑的点云数据

2．不同测站数据的配准与融合

由于受测量系统及视线的限制，不能一站式采集到物体完整的点云数据，所以选择物体的不同区域分块采集。无论是分块采集的数据还是分割处理后的数据，重构后的多个曲面最终要拼接到一起，因此需要将不同站点得到的三维点配准到一个统一的坐标系下。目前采用的方法主要有:基于标记点、基于几何特征及Besl和Mckay提出的ICP算法。当基站扫描得到的点云数据配准到同一坐标系后，其重合的部分必然会有两层数据，这就带来了数据的冗余和不一致，因此还需要将这两片数据融合成一体。

3．三维几何模型的重建与后处理

在得到完整的三维数据之后，可基于基本几何体如圆柱、圆锥、棱柱等布尔操作的方法，或基于数学上自由曲面函数如Bezier、B_ Spline、NURBS等进行曲面重构的方法，或基于3D Delaunay的方法等建模。由于点云数据不全或噪声等影响，重建后的模型还需进行后处理，如补洞、平滑等操作。

4．纹理映射

基于前面的过程得到场景的几何模型，为了满足可视化的需要，还须对几何模型赋予颜色，从而能够绘制成具有色彩真实感的三维模型，一般采用数码相机拍摄的真实照片作为纹理的来源。在纹理映射的过程中，涉及相机标定、二维影像与三维几何模型如何配准等问题。图7-33为图7-32所示的激光扫描点云数据重建的古建筑三维模型。

图7-33　基于激光扫描点云数据重建的某古建筑三维模型