大型古建筑文物三维数字化保护研究_以白马寺齐云塔为例_李永强

大型古建筑文物三维数字化保护研究

———以白马寺齐云塔为例

李永强1，2，刘会云1

，冯

梅1，3

，苏

蕾1

，张

键1，郑艳慧

1

（1．河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南

焦作454000；2．北京师范大学空间信息科学与技术研

究所，北京100875；3．河南省遥感测绘院，郑州450003）

摘要：针对大型古建筑文物结构复杂，数字化保护工作繁琐而沉重的问题，提出融合多种精密

测量技术的三维数字化方法．用GPS 测设精密控制网来确定古建筑文物的空间坐标和方位；用三维激光扫描仪获取密集点云来构建精细三维数据模型；用高精度免棱镜全站仪精确观测特征点，与三维激光扫描测量进行精度的相互检核．以该方法在白马寺齐云塔数字化保护应用为例，详细阐述了外业数据采集的方法和技术，并在点云拼接、三维建模、数据分析等方面讨论了内业数据处理的方法与技术.

关

键

词：三维激光扫描；点云；文物保护；3D 表面重建；精度检核

中图分类号：P258文献标识码：A 文章编号：1673-9787（2012）02-0186-05Research on 3D digitization protection of large historic building relic

take great white horse temple＇s Qiyun pagoda for exampole

LI Yong-qiang 1，2，LIU Hui-yun 1，FENG Mei 1，3

，SU Lei 1，ZHANG Jian 1，ZHENG Yan-hui 1

（1．Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of National Adminisration of Surveying ，Mapping and Geoinformation ，Henan Polytech-nic University ，Jiaozuo 454000，Henan ，China ；2．Academy of Disaster Reduction and Emergency Management ，Beijing Normal University ，Bei-jing 100875，China ；3．Henan Remote Sensing and Surveying Institute ，Zhengzhou 450003，China ）

Abstract ：Large historic building relic commonly has complex construction ，and the digitization protection is a cockamamie and heavy workload．To resolve this problem ，we present a 3D digitization method with multi-pre-cision measurement data fusion．we use GPS to observe precise control network and locate the coordinate and orientation about the historic building relic ，employ 3D laser scanner to acquire dense point cloud and build precise 3D model ，and use high accuracy non-prism electronic total station to observe precise characteristic points and detect precision with 3D laser scanner for each other．The paper takes the digitization protection of Great White House Temple＇s Qiyun Pagoda for example ，has a detailed presentation on method and technology in field work ，and discusses the method and technology in interior work in several aspects ，such as point cloud registering ，3D modeling and data analysis．

Key words ：3D laser scanning ；point cloud ；historic preservation ；3D surface rebuild ；accuracy check

第31卷第2期2012年4月河南理工大学学报（自然科学版）

JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY （NATURAL SCIENCE ）Vol．31No．2Feb．2012

收稿日期：2012-01-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（41001304）；河南省重点攻关项目（112102210193）．

作者简介：李永强（1976—），男，河南许昌人，博士，讲师，主要从事激光扫描技术研究与教学工作.E-mail ：liyongqiang@hpu．edu．cn

DOI:10.16186/ki.1673-9787.2012.02.007

0引言

古建筑文物承载着丰富的历史信息，对各个

历史时期的社会、政治、文化、艺术研究具有重要价值，

但是，随着人类活动的日益影响，许多重要古建筑文物遭到不同程度的破坏．对文物进行数字化三维重建是文物保护的有效手段，近年来多种先进传感器在古建筑文物保护中得到了广泛应用，这在很大程度上促进了古建筑文物保护工作

的进展，国内外已有很多成功案例

［1-5］

．古建筑文物的数字化保护需要以真实、准确、密集的表面测

量数据为基础，但对于大型的古建筑文物，由于受数据获取方式的限制，往往要求在周围高大建（构）筑物上架设仪器，或搭建高大稳定的观测平台，这在很大程度上增加了作业成本，延长了作业周期，

目前尚没用成熟的经验可以借鉴．作为全国级重点保护文物，

洛阳白马寺齐云塔是中原地区现存最大的密檐式建筑，该塔修建于金代，塔平面

为正方形，高26m ，共13层（图1（a ））．由于年久失修，塔体损毁严重，塔基砖体出现酥碱，2008年遭受雷击，使塔体遭受严重损坏，成为Ⅳ类建筑．为保护这一珍贵的文物，相关部门对该塔实施修复加固工程（图1（b ）），三维数字化是齐云塔文物保护的重要组成部分．本文以齐云塔为例，详细阐述了融合多种精密测绘技术的大型古建筑三维数字化文物保护方法，包括外业数据采集和内业数据处理，希望本文的成果能对相关研究提供借鉴

．

1

外业测量

1．1

控制网建设

控制网建设是三维表面测量工作初期的一项

重要工作［6］

．根据工程建设需要，分别进行了局

部坐标控制网和绝对坐标控制网建设．

（1）局部坐标控制网建设．局部控制网建设的目的是把不同测站获取的点云数据整合在一个坐标系中，使所有空间点云有一致的空间参考.三维激光扫描仪从不同测站对目标进行扫描，测

站内数据点之间有很高的相对精度，

测站间数据点的拼接需要至少3个同名点经坐标转换后达到

坐标的一致．为了充分发挥标靶在点云拼接中的优势，根据齐云塔周围环境的具体情况，在齐云塔四周围栏上黏贴了13个固定标靶（图2中的f01－f13）．在地面上分3个测站对这些标靶进行精细扫描，相邻两测站间有数个重叠标靶，根据重叠标靶对3个测站数据进行拼接，将13个标靶整合在一个局部独立坐标系中，这13个固定标靶成为各测站点云拼接的基础．标靶拼接使用Cyclone6．0软件，所有标靶拼接误差均小于1

mm．

（2）绝对坐标控制网建设．要达到对齐云塔

文物保护的目标，

还要将局部测量坐标转换到空间坐标系中，获得齐云塔的绝对位置和方位，这要

求建立局部坐标系和大地坐标系之间的联系，建立精度较高的大地坐标控制网．根据作业要求及白马寺齐云塔周围的具体情况，在白马寺齐云塔周围布设GPS 控制网，施测了5个控制点（图2中的A1－A5），联测2个D 级GPS 点作为起算点，使用1980西安坐标系进行平差计算．因5个控制点相距太近（最近13．5m ），平差精度较低（最弱1/32707），但足以满足对整体模型定位定向的要求．

1．2三维激光扫描表面测量

要获取塔身完整的点云数据，需要在塔四周

不同高度的平台上架设激光扫描仪，齐云塔高度为26m ，周围没有高层建筑物，塔周围树木茂密，

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81第2期李永强，等：大型古建筑文物三维数字化保护研究—

——以白马寺齐云塔为例