本站原创【摘 要】介绍利用三维激光测量技术进行古建筑三维建模的流程与方法.实验通过徕卡三维激光扫描仪对西安一处古凉亭进行扫描,通过Cyclone、Geomagic、Ployworks软件对采集的数据进行拼接、预处理、三维建模、纹理贴图等处理,获取古凉亭的三维模型.
【关 键 词 】三维激光；古建筑；三维建模
一、Geomagic Studio软件介绍
Geomagic Studio软件是由Geomagic软件公司开发的自动化逆向工程软件,在各行各业有着广泛应用.Geomagic Studio软件功能强大,可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型.
Geomagic Studio软件基本模块：
（1）捕捉：该模块由点阶段和封装阶段组成.点阶段提供点云数据的命令.封装阶段产生用扫描点产生多边形化的模型.
（2）封装：该模块由点阶段和多边形阶段组成.多边形阶段能够方便处理多边形模型.
（3）形状：该模块由形状阶段和CAD阶段组成.形状阶段能够从多边形模型产生NUBRS曲面.CAD阶段允许用户执行基本的布尔运算和裁剪操作.
二、点云数据采集
1.数据采集仪器
实验仪器包括：徕卡ScanStation2三维激光扫描仪；尼康DTM352全站仪；佳能相机.通过徕卡ScanStation2型三维激光扫描仪获取古凉亭点云数据,尼康全站仪在古凉亭四周布设控制网,佳能相机获取凉亭照片,作为贴图纹理.
2.点云数据采集
在控制点上安置三维激光扫描仪,进行对中整平,同时安置3个不在同一直线上的标靶,将与徕卡扫描仪相配套的Cyclone软件与电脑相连接,设置扫描参数进行扫描.一站扫描完成后,还需要对标靶进行精细扫描,作为点云拼接的基准.采用相同方法依次扫描.依次进行,直到所有扫描完成.
3.点云数据拼接
点云拼接是多个测站点云数据的整合,是基于扫描仪不同坐标系统转化统一的过程.在Cyclone软件中,点云数据拼接方法包括：基于连接点的拼接,基于控制点的拼接,基于标靶的拼接.本实验采用基于标靶的拼接,该方法是比较常用的方法,在扫描前相邻两测站之间需要有至少3个公共标靶.
三、古凉亭三维建模
古凉亭三维建模采用Geomagic Studio软件,点云数据通过Geomagic Studio软件进行三维建模需要经过三个阶段：点阶段,多边形阶段,曲面阶段.
1.点阶段
在点阶段,通过软件改进点组数据,进行点云着色,点云坐标摆正,点云噪声点滤除,点云重采用,点云封装.
1.1 噪声点滤除.点云数据噪声点滤除有两种方法：手动删除和软件自动删除.手动删除主要针对明显的噪声点,软件自动删除主要通过设定一定的阈值来删除噪声点.但是在实际操作中需要将手动删除与自动删除结合使用,以达到最佳噪声点去除目的.
1.2 点云重采用.由于不同测站点云数据拼接,会产生一定重叠区域,使得点云数据中出现冗余数据,增加了数据容量,不利于后续点云数据处理.在保证点云数据质量前提下进行,利用Geomagic软件进行重采用,Geomagic软件提供的重采样包括：曲率采样,等距采样,统一采样,随机采样.
1.3 点云封装.点云数据封装就是将离散的点云数据创建成多边形的阶段.Geomagic软件提供封装方法包括：曲面封装和体积封装.
2.多边形阶段
在多边形阶段操作过程包括：多边形修补、多边形数量调整、多边形光滑、多边形检测与校正.
2.1 多边形修补.多边形修补主要是多边形孔洞和缺口的修补,在Geomagic中修补方法包括：全部修补、局部修补、创建桥、删除、移动等.本次实验采用全部修补法,设置修补孔的方法,同时设置成基于曲率的修补.
2.2 多边形光滑.多边形光滑过程主要包括：删除钉状物、减少噪音、简化、细化、松弛等过程.
2.3 多边形数量调整.由点阶段到多边形阶段,多边形数量很多,增加了软件数据处理负担,在保证多边形精度前提下,通过软件进行多边形数量简化,在模型曲率大的地方保留较多三角形,在曲率较小地方,保留较少三角形.
3.曲面阶段
对多边形进行编辑处理后,进入曲面阶段.创建曲面过程包括：轮廓线探测、构造曲面片、轮廓线编辑、曲面片编辑、轮廓线和曲面片松弛、曲面生成等.
3.1 轮廓线探测.在Geomagic软件中,选择轮廓线探测选项,这时将自动加亮模型基于曲面曲率的轮廓线.选择自动估计,让软件来估计曲率在模型上复杂程度并显示必要数量的轮廓线.设置曲率值,同时选中简化轮廓线选项.
3.2 构造曲面.在Geomagic软件中,选择构造曲面片选项,同时选中自动估计,将允许软件来决定大约需要多少个曲面片模型的表面.
3.3 曲面生成.对曲面片、轮廓线进行一系列编辑处理后,通过NURBS进行曲面创建.
4.纹理贴图
纹理是三维模型逼真度的重要影响因素,通过纹理贴图可以使建立好的三维模型呈现出真实的原貌.通过Geomagic、Polyworks、TexCapture软件对三维模型进行纹理贴图.将建立好的三维模型通过特定格式（*.ply）从Geomagic软件中导出,同时导入到Polyworks软件中,在以*.pol格式导出,同时导入到TexCapture软件中,将纹理数据也导入TexCapture软件中,通过相应编辑完成纹理贴图,得到古凉亭三维模型.
TexCapture软件纹理贴图最关键步骤是选取特征点,需要在模型数据和纹理数据上选取相同的12对特征点,同时这些特征点不能再同一个平面内且要分布均匀.
四、结束语
三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破.它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据.可以快速、大量的采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段.本文通过徕卡三维激光扫描仪获取古凉亭点云数据,通过相关软件进行古凉亭三维建模,结果表明三维技术扫描仪技术满足古凉亭三维建模要求.
【参考文献】
[1]高秀娟,杨伟华.三维激光扫描测量技术及在测绘领域的应用[J].科技论坛,2009(21).
[2]徐晓雄,刘松林,李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘,2009(2):63-65.
[3]余明,丁辰,过静.激光三维扫描技术用于古建筑物测绘的研究[J].测绘科学,2004(5):69-70.
作者简介：张爱能、张靖,现在长安大学地质工程与测绘学院.