三维扫描测量在文物古建数字化复原重建模型中的应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

1、背景：由于我们中国苏州是一个文化古城，苏州是首批国家历史文化名城之一，有近2500年历史，是吴文化的发祥地之一、清代“天下四聚”之一，有“人间天堂”的美誉。历史古建文物不胜枚举，文保随着时间的推移也越发的重要起来。苏州文化遗产复杂而多样，从现有的文化遗产现状来看，苏州各级政府在总结历史经验的基础上，确立了“以申报促进保护，以保护促进发展”的工作思路。

对于苏州运河文化遗产的开发利用，苏州市政府从建设和谐社会、优化经济结构和新农村建设角度出发，也做了大量工作，表现为：一是开发和谐文化资源，形成具有苏州特色的和谐文化优势。二是开发古吴文化资源，形成古吴文化主题旅游。三是开发运河文化旅游资源，形成运河遗产文化的新亮点。四是开发古典园林的造园资源，形成具有苏州特色的园林家居优势。五是开发吴门医派的传统资源，将历史影响转化为休闲保健优势。六是开发农村自然人文资源，变农业文明优势为新农村建设优势。

目前，地面三维激光扫描技术已经在许多领域取得了广泛的应用，特别是在考古测量领域和工业测量领域。在工业领域，由于其精确的建模技术，使得进行逆向工程，模拟对大型仪器的拼接过程成为可能，从而预演在实际组装仪器的过程中存在的问题，提高拼装的可靠性与效率。在考古测量方面，传统的考古技术采用人工测绘，手工绘图。这种方法在精确性上虽有一定保证，但由于文物专题图件要求完整精细的反应文物的形状、色彩等特性，因此使用传统测绘方法就有很大的局限性。而三维激光扫描技术，由于其能够海量且完整的获取古文物表面所有点的数据，并保留其色彩信息，因此在古文物保护与修复方面有着突出的优势。

2. 研究内容和预期目标

（1）主要研究内容:

①利用三维激光扫描技术对苏州大运河古码头进行数据采集。每一个古建筑都有自己独特的样式风格，古码头独有的结构需要仔细考虑扫描仪和靶标的布设。如何才能最大限度的对目标古码头进行数据采集，减少点云空洞的数量，减少噪点。为后期的数据处理提供方便。

②对采集的点云数据进行处理。以苏州大运河古码头为研究对象，利用莱卡hds3000（或更先进的仪器）三维激光扫描仪对古建筑进行扫描。在预处理方面，用cyclone6.0软件进行点云去噪、滤波。采用三个标靶作为控制点的传递与配准。之后再用geomagic studio对点云数据进行去噪、滤波。检查是否存在点云数据的缺漏。

3. 研究的方法与步骤

方法：

1、分析归纳法：通过查找与收集相关文献资料，归纳总结前人的成果，了解目前国内外的研究现状，分析目前仍然存在的问题与尚需研究的方面，选择论文所需研究的内容。并借鉴前人成功的方法与成果，结合自身想法，选择论文的研究方向与主体思路方法，设计技术路线并分析成果以获得相关结论。多方案准备：考虑可能出现的问题，思考准备自己可能的应对方法。

2、比较分析法：通过对比大型古文物遗址三维模型的建立与其他模型建立之间的区别，分析其自有特点，总结在大型古文物遗址三维模型的建立中，所需要特别注意的地方，并归纳了一套切实可行的模型建立方法。

步骤：

1、利用其它数据进行数据处理的流程实验

通过非目标的已有的点云数据，对自己预先拟定的实验流程进行试验，对数据进行数据的预处理，拼接数据生成三角格网。利用Geomagic通过试验得到自己操作过程中出现的问题，对操作方法再进行修改。

2、三维扫描仪的操作、使用

预先学习三维激光扫描技术原理：三维激光扫描仪发射激光脉冲测定发射中心点至三维激光脚点之间的斜距S，通过精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲，在竖直方向的竖直角α，在水平方向的水平角β，其中X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。三维激光脚点相对激光发射中心点坐标增量计算公式如下：

P(x)=Scos(α)cos(β)

P(y)=Scos(α)sin(β)

P(E)=Ssin(α)

(S为斜距，α为竖直角，β为水平角)

1、标靶布设

实地考察苏州大运河的古码头，因为需要使用标靶对采集数据进行配准，所以应当结合实际情况设置标靶点，标靶点应设置在相邻两个控制点所能观测到的重叠范围之内。考虑拼接时候可能出现精度不足，再布设一个备用控制点。

2、控制点设置

控制点即为三维激光扫描仪的仪器站点。站点设置同样需要结合实际情况进行设置，需要注意站点应设置在采集数据时不会阻挡行人的通行，并且观测条件好，没有树木，围栏等遮挡物，对目标通视。对标靶点有很好的观测条件。

3、对目标进行数据采集与处理

利用三维激光扫描仪采集点云数据，利用相机采集实景图像。

①点云数据坐标匹配转换（点云数据标靶拼接）

在对同一目标进行点云数据处理前，需要将所有的点云数据统一到同一个坐标系下，才可以进行拼接工作，其原理为：

如图O-XYZ为目标坐标系，o-xyz为待转化坐标系，

，该坐标的转换分为两步，第一步将坐标原点o

利用运算关系转换到O-XYZ坐标系，使得两个坐

标原点相重合。第二步旋转o-xyz坐标系的坐标

轴使其中一轴与O-XYZ坐标系轴相重合，即可获

得两坐标系之间的转换关系：

其中，R（a,b,c）为

其中，[X，Y,Z]T为坐标原点移动向量

R（a,b,c）为旋转矩阵

λ为坐标间尺度变形因子

通常情况下，认为扫描结果不存在尺度变形，即λ=1，因此未知参数为（x,y,z,a,b,c）,解算未知参数需要至少三个同名点即三个标靶点。将所有标靶点中心提取后，应根据标靶点坐标对点云进行拼接，拼接精度保证在0.006m内认为拼接成功，如果超限启用备选拼接点或重测。

②点云数据去噪滤波

在得到预处理的点云数据后还需要再进行去噪、滤波处理，采用Geomagic Studio对点云数据进行处理。如果噪点明显可以采用直接观察法，直接进行手动剔除。对于不明显的噪点，可以采用曲线拟合法，选取一定范围内的两点作为首尾点，对其进行曲线拟合（通常采用最小二乘法），计算围绕曲线附近的点到该曲线的最短距离。如果超过规定值即为噪点。

③特征点提取（同一采样）

经过去噪滤波之后，可以认为点云数据完整没有多余数据，接下来就要对点云数据进行特征点的提取，同时确保数据间隔基本一致，为了保证能够成功生成三角格网，并提升三角格网的生成速度。

④生成三角格网

利用Geomagic Studio进行三角格网的生成，生成之前需要确保即将生成格网的数据是完整的没有拓扑关系错误。

⑤数据压缩简化

为了提升点云数据的处理速度，可以对点云数据进行抽稀简化。也可以使用Geomagic Studio对数据进行算法上的简化压缩。数据压缩处理视情况而定。

4、建模与可视化

①曲面模型的建立

数据的缩减应当根据实际需求进行。同时，选择不同种类的模型也许根据具体需求。如果目的是绘制文物本体图，矢量数据格式的三维格网模型即可满足需求。若需要进行三维演示，则应将矢量数据转化为不规则曲面形式的栅格数据，其好处是数据量极小，处理时简单快捷，有利于多角度不同层次的三维模型演示。

②模型的纹理映射

纹理映射是一种从二维纹理图像到三维物体表面的附着过程，即将纹理映射的坐标（u，v）及其对应的颜色以及光的强度映射到相应的三维物体的表面。为了最大程度还原真实纹理，通常的办法是将实景图像中显色清晰、光线适度、变形较小的部分拼接成形，再将合成的纹理图像映射到三维模型表面。利用3Dmax对模型进行精细调整和渲染。

5、精度分析

对与生成的模型可与实际古码头进行检验，随机挑选两个特征点，进行测距，再与模型内对应的特征点量测进行比对。得到模型精度结果。

4. 参考文献

1、余明,丁辰,刘长征,过静珺.北京故宫修复测绘研究[j].测绘通报,2004(04):11-13.

2、徐进军,张民伟.地面3维激光扫描仪:现状与发展[j].测绘通报,2007(01):50-53 73.

3、马晓娜,图拉,徐迎庆.非物质文化遗产数字化发展现状[j].中国科学:信息科学,2019,49(02):7-28.

5. 计划与进度安排

1、3月10日至3月27日：通过学习其他人的文献，了解和自己相关课题的研究，丰富自己的知识，不断的修改自己的开题报告，加深自己对课题的理解。在3月27日完成最后对开题报告的修改，并进行提交。

2、3月27日至4月10日：拿到学长学姐以前的点云数据，在自己下载安装的geomagic点云处理软件上，对点云数据处理的操作流程进行熟悉与学习。进一步学习点云数据处理软件。了解点云数据的导入导出、怎么进行坐标匹配转换、数据怎么进行去噪滤波、特征点的提取的功能在哪个地方和格网生成功能在哪儿等

3、4月10日至4月12日：拿到老师指定的外文翻译的文章名字，开始对外文文献进行学习和翻译，同时加强自己对三维激光扫描技术的专业词汇的了解，巩固自己的专业知识。