王 敏，杜偉吉，段 偉

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

20世紀(jì)60年代末，出于國(guó)防建設(shè)的需要，南京市在古城墻內(nèi)部修建了大規(guī)模的人防工事，它們是南京特定歷史時(shí)期的產(chǎn)物，是具有一定歷史見證價(jià)值和重要紀(jì)念意義的近現(xiàn)代遺產(chǎn)，同時(shí)也是南京城墻的一大特色，有著較高的保護(hù)和利用價(jià)值。

南京城墻內(nèi)部人防工事由于未加利用，廢棄多年，政府已準(zhǔn)予報(bào)廢，普遍存在較嚴(yán)重的病害風(fēng)險(xiǎn)。因此，需對(duì)南京城墻人防工事進(jìn)行科學(xué)調(diào)查研究、勘探測(cè)繪、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、保護(hù)設(shè)計(jì)、安全監(jiān)測(cè)、合理利用等一系列活動(dòng)，以盡快排除南京城墻的安全風(fēng)險(xiǎn)，并為后期城墻整體保護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步規(guī)范和提升南京城墻的文化遺產(chǎn)保護(hù)管理水平，為申報(bào)世界遺產(chǎn)工作提供切實(shí)保障。

三維激光掃描技突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)精確測(cè)量的局限，可以大面積地獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，具有連續(xù)、快速、非接觸、自動(dòng)、全天候工作等優(yōu)勢(shì)。人防工事狹長(zhǎng)且內(nèi)部環(huán)境惡劣，對(duì)其保護(hù)利用需要提供豐富多樣的基礎(chǔ)資料和成果。本文以某段人防工事為例，研究三維激光掃描的工作流程，并以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行三維模型的重構(gòu)和測(cè)繪圖的制作，完成對(duì)點(diǎn)云模型質(zhì)量的分析評(píng)價(jià)。

1 人防工事三維激光掃描的工作流程

人防工事的三維激光掃描的實(shí)施過程包括前期準(zhǔn)備、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成果數(shù)據(jù)展示與分析4個(gè)階段。

(1) 前期準(zhǔn)備階段。人防工事長(zhǎng)期未使用、封閉未開啟，針對(duì)項(xiàng)目具體情況，在項(xiàng)目實(shí)施開始階段進(jìn)行項(xiàng)目整體規(guī)劃，主要進(jìn)行作業(yè)區(qū)域資料收集，包括規(guī)劃圖、歷史資料等，而后進(jìn)行作業(yè)區(qū)域踏勘、線路規(guī)劃設(shè)計(jì)等前期準(zhǔn)備工作。

在數(shù)據(jù)采集前，要對(duì)整個(gè)人防工事進(jìn)行區(qū)段劃分，以人防工事分布作為劃分原則進(jìn)行掃描區(qū)段分塊。采集人員在作數(shù)據(jù)采集和記錄時(shí)，要將對(duì)應(yīng)的采集數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)草圖、控制點(diǎn)等分塊記錄到數(shù)據(jù)記錄表中，以便數(shù)據(jù)能及時(shí)管理和組織。

(2) 外業(yè)數(shù)據(jù)采集。對(duì)于外業(yè)數(shù)據(jù)采集，制定詳細(xì)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集作業(yè)規(guī)范。針對(duì)本文項(xiàng)目實(shí)際情況，采用P40掃描儀采集、測(cè)距儀或鋼尺數(shù)據(jù)采集及外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)采(相機(jī)采集紋理)多種方式，保證外業(yè)采集數(shù)據(jù)的完整性。

(3) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。對(duì)于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高效預(yù)處理工作，并利用獲取的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)完成點(diǎn)云拼接。通過切割點(diǎn)云，將點(diǎn)云切片在AutoCAD中繪制人防工事的測(cè)繪圖，并在此基礎(chǔ)上利用3ds Max進(jìn)行三維模型的生產(chǎn)。在點(diǎn)云內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)處理作業(yè)流程和質(zhì)量檢查規(guī)范執(zhí)行，確保項(xiàng)目實(shí)施工期可控、最終成果質(zhì)量可控。

(4) 成果數(shù)據(jù)展現(xiàn)與應(yīng)用。處理好的人防工事三維模型成果數(shù)據(jù)須與城墻三維模型進(jìn)行融合和展示，保證模型的數(shù)據(jù)格式、成果精度滿足要求。

2 人防工事三維數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集是三維建模的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，人防工事的外業(yè)采集包括P40掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、未掃描耳室的特征點(diǎn)線采集、紋理照片采集。在采集過程中，嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)采集規(guī)范進(jìn)行，具體采集流程包括控制測(cè)量、掃描站布設(shè)、標(biāo)靶布測(cè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、紋理圖像采集、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)導(dǎo)出備份。

在掃描時(shí)，屬于小區(qū)域目標(biāo)物掃描，通過標(biāo)靶進(jìn)行拼接閉合，在掃描區(qū)域的人防工事出入口處，布設(shè)控制點(diǎn)，并與外部已有控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，建立與已有空間參考系的聯(lián)系。

對(duì)于人防工事的主干道使用P40掃描儀進(jìn)行外業(yè)采集，掃描站應(yīng)設(shè)置在地面穩(wěn)定的安全區(qū)域，在掃描區(qū)域內(nèi)宜均勻布設(shè)且設(shè)站數(shù)目盡量少，在耳室比較多或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、通視比較困難時(shí)可適當(dāng)增加掃描站且掃描站盡量放置在耳室附近；對(duì)于未掃描或掃描不完全的耳室、聯(lián)絡(luò)通道等，量取耳室特征點(diǎn)、線信息。標(biāo)靶應(yīng)在掃描范圍內(nèi)均勻布置，且高低錯(cuò)落；本段人防工事每一掃描站的標(biāo)靶個(gè)數(shù)為4個(gè)，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)為2個(gè)。

利用徠卡P40掃描儀采集城墻人防工事通道中各類地物的三維激光點(diǎn)云(如圖1所示)和獲取的耳室、聯(lián)絡(luò)通道的特征點(diǎn)線數(shù)據(jù)，作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)入庫，同時(shí)作為構(gòu)建城墻內(nèi)部人防工事三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍的完整性、標(biāo)靶數(shù)據(jù)完整性和可用性，對(duì)缺失和異常數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)掃。用高分辨率的相機(jī)進(jìn)行拍照，提供紋理貼圖數(shù)據(jù)，采集圖像時(shí)應(yīng)繪制圖像采集點(diǎn)分布示意圖。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、精細(xì)化三維模型生產(chǎn)及細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)調(diào)繪填充。

(1) 通過數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件(Cyclone)完成點(diǎn)云去噪、拼接、合并、抽稀等處理，輸出帶坐標(biāo)的點(diǎn)云。

(2) 根據(jù)配準(zhǔn)后的點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)，通過3ds Max將人防工事通道、耳室、門等三維模型要素?cái)?shù)據(jù)空間信息按照項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)提取出來，輸出得到人防工事三維模型成果。

(3) 對(duì)于建模得到的人防工事三維模型成果，由于存在部分點(diǎn)云被遮擋(如掃描儀架設(shè)位置)或部分特殊屬性無法采集點(diǎn)云(未單獨(dú)架站掃描的耳室)的情況，部分細(xì)節(jié)信息需進(jìn)行相應(yīng)的外業(yè)人工補(bǔ)充調(diào)繪，然后在三維建模過程中將對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)予以補(bǔ)充完整，最后形成精細(xì)化的三維模型成果。

4 人防工事測(cè)繪圖制作

人防工事屬于古代建筑遺址，一般需要繪制立面圖(正視圖)、平面圖和剖視圖(如圖2所示)。平面圖表現(xiàn)空間物體在水平面上的正投影。本文將人防工事點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)格網(wǎng)制作切片，將切片導(dǎo)出到AutoCAD繪制人防工事的水平剖視圖，并與所在區(qū)段的城墻邊界線疊加顯示。立面圖表現(xiàn)人防工事的高低走勢(shì)和耳室分布情況。剖視圖主要表現(xiàn)人防工事變化區(qū)段的橫斷面結(jié)構(gòu)。

5 精細(xì)三維模型的構(gòu)建

(1) 點(diǎn)云管理。將點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換為3ds Max可識(shí)別的點(diǎn)云格式，點(diǎn)云加載后可以自主選擇渲染模式，渲染顏色根據(jù)點(diǎn)的密度分布來對(duì)顏色進(jìn)行均勻渲染。利用限制長(zhǎng)方體功能可以在視圖區(qū)域內(nèi)顯示點(diǎn)云包圍盒，利用點(diǎn)云包圍盒對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行裁切，裁切可以選擇X、Y、Z3個(gè)方向，裁切的位置和厚度用戶可以自行控制。

(2) 構(gòu)建粗模?；邳c(diǎn)云繪制輪廓線數(shù)據(jù)，構(gòu)建得到構(gòu)筑物粗模。對(duì)于缺失點(diǎn)云的部位，通過繪制的DLG數(shù)據(jù)，在3ds Max中自動(dòng)參照加載到內(nèi)存中的點(diǎn)云對(duì)視圖中選擇的DLG數(shù)據(jù)拉伸粗模。

(3) 構(gòu)建精細(xì)模型。利用3ds Max自身提供的建模工具，可以快速構(gòu)建完成建筑物的精細(xì)模型。點(diǎn)云和模型疊接對(duì)比，檢查模型質(zhì)量。

紋理貼圖應(yīng)以外業(yè)采集數(shù)碼照片為參考，經(jīng)過統(tǒng)一配色后，建立紋理庫。無法采集照片的區(qū)域可參考遠(yuǎn)景照片、相鄰區(qū)域照片等資料酌情貼圖。采集照片時(shí)，對(duì)材質(zhì)變化區(qū)域、病害突出區(qū)域要重點(diǎn)采集；對(duì)變化不大的區(qū)域，可統(tǒng)一貼圖。模型接邊處理按照西、南交邊，東、北接邊。相鄰接邊應(yīng)采用“捕捉”方式，模型應(yīng)精確連接，既保證圖形、幾何位置的接邊，也要進(jìn)行屬性接邊,紋理接邊要符合紋理色差的要求。測(cè)區(qū)模型作業(yè)時(shí)間有先后，但接邊一律按規(guī)定的調(diào)繪截止時(shí)間的要素現(xiàn)狀為準(zhǔn)。無法接邊時(shí)，應(yīng)將問題記載下來。

3ds Max具有強(qiáng)大的腳本編程能力，其內(nèi)嵌的MaxScript腳本語言可以完成絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)檢查和數(shù)據(jù)批量處理功能。本文項(xiàng)目完成了屬性合法性檢查、圖形合法性檢查、材質(zhì)合法性檢查如圖3所示。

6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差來源主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。

(1) 外業(yè)掃描誤差δ外主要包括儀器測(cè)角誤差、標(biāo)靶獲取精度誤差和受掃描環(huán)境條件的影響帶來的誤差。本文項(xiàng)目采用徠卡P40掃描儀，利用定制4.5′標(biāo)靶，50 m處標(biāo)靶的標(biāo)稱獲取精度δ標(biāo)=±2 mm。本次人防工事的掃描距離在10～20 m左右，因此標(biāo)靶獲取精度δ標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于±2 mm。掃描儀的測(cè)角誤差對(duì)點(diǎn)位精度的影響可用下式計(jì)算

δ角=δ中D/ρ

式中，δ中為測(cè)角中誤差，P40掃描儀在掃描距離為50 m時(shí)，其理論精度值為±8″；D為測(cè)站點(diǎn)與被量測(cè)點(diǎn)之間的水平距離；ρ=206 265。本次掃描測(cè)站位置均在人防工事20 m以內(nèi)，因此本次掃描的測(cè)角誤差對(duì)離散點(diǎn)云的點(diǎn)位精度的影響δ角<0.78 mm。

(2) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理誤差δ內(nèi)包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接誤差、點(diǎn)云數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換誤差、模型的曲面擬合誤差。選用的模型重構(gòu)方法不同，其產(chǎn)生的誤差結(jié)果也不同。本文主要考慮點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接誤差。本段人防工事工架設(shè)20站，選擇20個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，最大拼接誤差為δ拼=±4 mm。

7 結(jié) 語

本文針對(duì)人防工事的特點(diǎn)，探討了利用三維激光掃描技術(shù)獲取人防工事點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，制作了詳細(xì)內(nèi)外業(yè)工作流程，并對(duì)最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，最大誤差為4.54 mm，滿足規(guī)范要求。利用完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作人防工事測(cè)繪圖，可為人防病害探測(cè)、安全評(píng)估、后期治理提供基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)。

三維激光掃描技術(shù)獲取和處理的人防工事數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大，不便于查看、檢索、利用，構(gòu)建人防工事數(shù)據(jù)成果管理系統(tǒng)能夠提高管理能力和文物保護(hù)水平，讓人防工事“活”起來。