应用三维模型的古建筑论文

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1前述

古建筑修复工作首先需要对古建筑进行完整的测绘并数据存档,利用存档数据进行研究和修复。古建筑测绘工作主要针对研究对象的完整基础性数据,如空间环境、古建筑局部细节等。传统测量手段需要借助反射棱镜等工具进行单点测量，单点的测量费时较长，甚至要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量。三维激光扫描仪利用激光测距原理，直接对被测物体进行快速扫描，获得高精度的三维数据，数据信息包含X,Y,Z坐标和物体反射率的信息，因此三维激光扫描技术具有快速、非接触性、高精度等特点。

2采集点云数据

为了完整采集古建筑物的建筑信息，通常需要分站多角度进行扫描。首先根据需要扫描的范围和三维激光扫描仪的扫描参数，设计扫描控制网，布设扫描站点时应有利于减少测量误差，提高点云数据拼接的质量。为确保整体扫描质量，相邻两站之间数据应有30%左右的重合度，同时相邻两站间至少应有三个不同线的公共靶标。实施扫描过程中，在设定站点上架设三维激光扫描仪时，应注意避免扫描激光束与物体间夹角过小而造成扫描精度下降，同时扫描仪不要被其他物体过度遮挡。扫描时应根据扫描对象的复杂度选择不同的扫描参数，如表面细节丰富的物体应采用高分辨率扫描，表面特征平滑物体宜采用低分辨率扫描，以加快扫描速度。因目前三维激光扫描仪还没有办法直接获取颜色信息，每站扫描结束后，可根据需要对扫描区域进行拍照存档，以获取物体的色彩和纹理信息。

3点云拼接

随着测量距离的增加，三维激光扫描的扫描精度受环境影响呈下降趋势，因此复杂的建筑物需要多站扫描,每站扫描数据均是独立坐标，需要进行拼接，统一到同一坐标系。拼接时，以其中任一站作为控制网坐标的基准点云，其余测站点云与基准点云两两配准。为了提高拼接精度，通常采用靶标拼接，点云间的拼接精度可达1毫米，如图1所示。但由于扫描过程中可能出现靶标遮拦或测量角度过大的情况，无法使用靶标进行拼接，此时需要利用两站点云中公共区域的相同特征点配准。

4三维模型的建立

利用三维点云重构三维模型,通常有两种方法：(1)模型匹配法：此方法自动程度较高，从点云抽取出模型部分，与常用的三维模型组件（如柱体、锥体、长方体等）进行自动匹配处理，达到建立三维模型的目的。这种自动匹配方法适用于具有规则形状的对象。(2)古建筑多为不规则形状，需要先对点云数据进行去噪、重采样等处理，生成高精度三角网格模型，利用Nurbs等拟合算法生成建筑的曲面模型。本方法可生成高精度模型。最后利用映射功能可将照片中的颜色、纹理信息投影至三维点云数据上，生成具有真实纹理的三维模型。

5三维模型的修复

古建筑因为年代久远，会造成部分损坏，利用三维网格模型，根据周围网格信息，对其进行修复、调整，可以得到较准确的数字模型。由于古建筑物结构复杂、表现特征丰富，难以实现网格的自动化修补。针对点云数据的修复主要采用两种方法:(1)如果损坏出现在较平滑区域，如墙体时，可采用线性插值法填补缺乏数据；(2)如果损坏出现在非平面区域，首先根据周围网格信息计算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法进行插值，并使用周围点的颜色信息采用双三次插值算法计算新生成网格点的颜色信息，达到较好的修复效果。

6结束语

三维激光扫描技术目前已广泛应用于地质测量、城市建筑测量、飞机船舶制造等领域，但该技术在古建筑中的修复应用尚缺少足够的参考案例，物体扫描精度与模型修复的完整度之间的关系、缺乏数据的重估精度分析等工作仍需要更深入的研究。

作者：谢朝阳单位：西南科技大学土木工程与建筑学院