地面激光雷达在德占青岛时期海防设施保护中的应用

地面激光雷达在德占青岛时期海防设施保护中的应用

高阳1纪菲2邓宝君3孙正欣4

1身份证号码：3709021989****1812山东青岛266000；2身份证号码：3702141983****4520山东青岛266000；3身份证号码：3702031983****5110山东青岛266000；4身份证号码：3702821988****3811山东青岛266000

摘要：文物是国家不可再生的文化资源，实施文物保护，建立文物档案有着非常重要的意义，以文物保护为目的的测绘要求准确地反映文物建筑的现状，包括残损、构件错置、改动、变形的情况，手工测绘中难以准确、清晰地表现出文物建筑现状，或有可能在测绘过程中被忽略。三维激光扫描技术为解决这一问题提供了可能性，在德占青岛时期海防设施的保护中发挥了重要作用。

关键词：三维激光扫描；文物；保护

前言

1897～1914年，青岛沦为德国殖民者的独占的殖民地，在中国较早地开始了近代城市的历程。在德国占领青岛后，为扼守胶州湾港口要地，德国殖民者在青岛市南区沿岸一带布设了一系列的海防军事设施。团岛灯塔、小青岛灯塔、青岛山炮台、团岛炮台就是这一系列的海防军事设施的代表。

三维激光扫描技术以激光反射的原理获取静态物体表面的海量三维点云数据，采用高精度逆向三维建模及重构技术，以同步获取目标范围的三维坐标数据和数码照片的方式快速获取大型实体或实景等目标的三维立体信息，通过计算机重构其3D数据模型，再现客观事物的实时的、变化的、真实的形态特性，为快速获取空间数据的提供了有效手段，圆满解决了工程施工中的技术难题，利用后处理等技术手段，实现场景自动化三维模型构建，获得可实景展示、可量测的三维互动场景。

尤其对于文物建筑的实体对象，因其是非接触式测量，所以不会对文物构成任何的伤害。通过对三维激光扫描技术技术的应用，修缮设计将更好地秉承历史原物的独特风格，协调建筑形式、空间格局、材质色泽、构筑细部等，强调优秀历史建筑的原真性、可识别性、可逆性、可读性、功能再生性。

利用地面激光雷达技术对团岛灯塔、小青岛灯塔、青岛山炮台、团岛炮台等地，进行激光三维建模，为保护古文物遗址，做出数据归档整理。为今后的文物保护，文物修复，数字旅游宣传提供了宝贵的数据资料。

外场作业方法

团岛灯塔、小青岛灯塔、团岛炮台周围地形地势较为平坦，树木遮挡程度较少，测站间通视情况较为理想，可直接采用分站采集，利用共同的特征点拼接的方法，后处理后精度能满足文物建模的要求。青岛山炮台遗址处于青岛山山巅，周围可利用的共同的特征点较少，可布设同名标靶，作业方式采用标靶球的测量方式。

仪器及设备

由于采用靶标球作业模式，主要应用设备包括以下四部分：UA500激光扫描仪、控制计算机、影像获取设备、靶标球。

作业流程

测站布局规划

团岛灯塔作业设站示意图

在测站布局规划工作方面，以团岛灯塔为代表来介绍。根据现场踏勘情况团岛灯塔下半部分为德式建筑，特征点比较多，相对来说比较容易以分辨各个面之间的区别，所以只要通过分站采集的方式来进行量测。主要测站规划时使得两站之间所取数据有至少一定得的重合度（最低要高于20%，越多越好），通过两站之间的共同特征点来进行测站拼接，以保证整体数据的完整性和准确性。在团岛灯塔作业设站示意图中，设计了一共7站可以完成团岛灯塔的扫描工作，1站与2站作为数据采集的中的两站，其中直线代表1、2两站站激光扫描可以扫描达到临界区域，从图中可以看出，两站之间有扫描的重合区域即可。

在小青岛灯塔，团岛炮台的作业中此方法一样适用，在青岛山炮台的扫描中需要加入靶标球，利用同名靶标球来进行测站拼接，测站布局与作业原理与团岛灯塔相同。

扫描时采用自主知识产权的地面激光雷达扫描设备U-Arm0500扫描真实场景的激光点云数据，设备体积小重量轻，重量仅为9Kg。该设备采用波长为1550nm的红外光，测距原理采用飞行时间法（TOF），最小测距1.5m，最大测距500m，每秒钟可扫描激光点云500000个点，测距精度可以达到5@100m，扫描视场广，为360°*300°，水平角度数值角度测角精度可达0.001°。可根据要求设定参数，扫描后得到自定义.IMP格式的文件，然后通过预处理软件，得到.las、.xyz格式的数据。

数据处理简介

激光三维场景重建技术可以在极少人为干预的情况下，利用自主研发的点云数据数据自动化处理程序Pointcloudautoprocess，实现激光点云的单站合并、点云去噪抽稀、离散片段拼接、自动化模型构建、纹理与模型坐标映射、建筑周边场景优化等实景三维模型的构建过程。

新型自动化建模技术要实现的是点云到白模的自动化建模，纹理映射等激光雷达数据后处理的关键技术。创新点在于大规模城市场景的三维数据获取和城市三维场景自动建模技术相结合，实现三维激光雷达自动化场景重建。

单站合并、点云去噪抽稀

利用自主研发的点云数据数据自动化处理程序Pointcloudautoprocess把外业采集的每一测站的图片数据和点云数据按图所示要求整理存放到相应的文件夹里面。

运行程序得到初步的点云经过单站合并、点云去噪抽稀后的结果，输出得到的.xyz格式的文件。

离散片段拼接

采集的多个场景有不同的坐标位置，把经过单站合并、点云去噪抽稀后的文件在程序在进行拼接，以某个热点区域或多个热点区域为参考，计算多个站点扫描之间的空间坐标平移、旋转、缩放的位置变化关系，构建这个空间位置变化关系的数据模型，通过数学模型对多站数据的位置变换，获得相同场景的多站拼接结果，即完整的离散的激光点云场景数据。

团岛灯塔离散片段拼接界面

自动化模型构建

将拼接好的离散片段继续进行基于点云数据的自动化mesh模型构建，建立离散三维激光点云的边界提取数据模型，通过线性时间复杂度的空间分割和空间拓扑构型推理算法，实现任意非均匀分布点云数据的内外边界提取，自动化构建场景模型（白模）。

纹理与模型坐标映射

利用全景相机在拍摄时得到的相机的坐标位置、镜头的角度和焦距等信息，获得相片每个像素点的真实地理坐标值。三维激光离散点云数据在获取的时候，通过GPS系统和IMU系统，根据三维激光的位置、激光发射的角度及距离信息，得到点云的真实地理坐标值，将点云的空间坐标（x，y，z）与空间纹理坐标（u，v）之间的坐标对应关系，即实现了点云数据与纹理数据之间的实时映射。

团岛灯塔三维场景模型

其他附属产品

可量测点云数据

在扫描工作完成之后，经过数据预处理后得到的点云数据是真实可量测的，由于UA500扫描仪的测量精度在5-8mm@100M，因此得到的点云数据是高精度的，在后期文物重建修复过程中，可量测点云为这项工作提供了保障。

古建筑的三视图

传统的文物古建存档过程中，文物古建的三视图是非常重要的资料。我们所采用的三维激光扫描技术，在生成新型文物古建档案资料高质量三维模型的同时，也可以得到传统的文物古建三视图，在点云数据中，我们可以直接根据文物古建轮廓得到三视图。

威灵公庙三视图

结语

利用激光扫描仪对德占青岛时期的海防建筑和军事设施（团岛灯塔、小青岛灯塔、青岛山炮台、团岛炮台）进行三维模型重建，通过数据后处理软件等方式，对数据进行后处理，添加纹理等，获得了大量精确珍贵的文物数据。对古文物的保护，以及之后的可能需要的修复，数字旅游展示平台的建设等方面，提供了宝贵的资料。同时，本次工作，也为文物保护与数据储存归档工作，提出了一个全新的解决方案，是一种创新性的突破。

通过对德占青岛时期的海防建筑和军事设施进行的激光雷达扫描，得到的点云数据真实精确，通过对这些点云数据的解读，可以进一步得到可量测点云、三维立体模型和三视图，这对文物保护与修复工作有着积极地储备作用。

在互联网不断发展壮大的今天，跟得上科技的进步是大势所趋。积极做到对传统作业方式的革新，不断探索新的工作方式，也是积极地选择。通过激光扫描对古文物进行扫描归档，不仅是顺应时代发展进步的选择，同样也是对文物考古方面工作的一个新的突破。

随着文物保护与考古工作的不断深入，激光雷达这种设备将会有更大的使用空间。在类似于考古发掘等破坏性过程中，通过激光雷达可以全方位不断的获取三维数据信息，随着工作进展，上面的底层逐渐被清理而不复存在，而通过激光雷达扫描仪，却可以将被破坏的底层原貌全部完整保留，为今后可修复或者分析工作提供宝贵的精确资料。

在不久的将来，随着互联网的不断发展与数字化时代的到来，线上旅游展示，全息体验的技术不断进步，将对古文物数据的需求极为迫切，所以更应该抓好现今的发展时机，积极探索，总结经验，在文物保护与考古研究的新浪潮中，做出卓越的贡献。

基金项目：《青岛市广电产业智库联合基金项目》中的课题-----《精密文物古建三维模型构建及展示技术研究》