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中兵勘察设计研究院 北京 100053
摘要：逆向工程，三维扫描技术是近年来一项快速发展的新兴技术。本文使用三维扫描技术在古建筑、文物保护方面的进行应用实践及研究。为该技术在今后各领域的应用提出参考和借鉴。
关键词：逆向工程；三维扫描；古建筑饰件；表面积测量
引言
古建筑文物是不可再生的资源，是人类文化遗产的宝贵财富。然而，由于长期风雨侵蚀，古建筑金属构件的镀金保护层污损严重，甚至局部脱落，大大影响了建筑的外观，也使金属构件存在进一步被腐蚀的危险，因此在古建筑保护中，需要对污损脱落金属构件重新镀金。
需要镀金的金属构件立体形态复杂，数量较多，表面积不易估算。而且黄金价格又非常昂贵，若镀金面积测量结果出现偏差，将会使工程预算出现较大的偏差，也会造成极大的浪费。采用三维扫描技术，可以较为快速、方便地估算古建筑金属构件的表面积。
如何检验三维扫描获得的古建筑金属构件表面积测量成果的可靠性和准确性，从而为工程造价预算、结算的准确性提供保证呢？下面是笔者在某古建筑金属构件表面积量算复测项目中进行的实践和探索。
1主要工作目标与内容
本项目的主要工作目标是，采用高精度三维扫描技术，精确获得金属构件镀金区域的表面积，与原测量面积进行比对，进行复测检验。主要工作内容包括：
（1）获取云数据：对金属构件实施三维扫描，点云间距（三角面边长）不大于0.1mm，点位（三角面顶点）精度不不低于0.05mm。
（2）拍摄照片：拍摄各金属构件数码照片，便于內业数据处理时参考使用。
（3）点云数据处理：数据检核、降低噪音、点云拼接，建立各铜件点云模型。
（4）建立三角面模型：通过建模软件，通过扫描数据及处理后的点云数据，经填补及修整，建立完整的三角面模型。
（5）表面积量算：利用三维模型软件，精确量算表面积。
（6）复测检验：复测与原测量成果分析比较，检验原测量成果的可靠性和准确性。
图1 待扫构件
2数据采集
2.1点云数据采集
2.1.1采集设备
本项目采用了三种扫描仪对待测物体进行三维扫描，分别使用柯尼卡美能达RANGE7固定式三维扫描仪、CREAFORM EXAScan手持式激光三维扫描仪，以及海克斯康便携式关节臂三坐标测量机。各扫描仪主要参数分别为：
表1 Range7参数
镜头 TELE450mm TELE800mm WIDE450mm WIDE800mm
XY方向测量间隔（mm） 0.08 0.14 0.16 0.28
精度（μm） ±40
误差（Z，σ）（μm） 4
注：本次项目采用TELE450mm镜头
表2 EXAScan参数
尺寸（mm） 172 x 260 x 216
X、Y、Z 轴分辨率（mm） 0.05
精度（um） -- 40
容量精确性（um） 20 + 0.1 升/1000
表3 海克斯康Romer测头参数
尺寸（mm） 156 x 72 x 50
扫描测头精度（mm） 0.044
无插补最小点距（mm） 0.10
每线最多点数 640
2.1.2数据采集流程
1）现场准备
清理场地，保证扫描范围内无杂物。准备好扫描记录表，确认待扫构件的编号及原始成果编号。规划扫描顺序，保证外业扫描数据有序进行。
2）仪器校准
为防止仪器运输过程中的震动对仪器的精度造成影响，使用仪器前，均需使用附带的校准板及校准仪器等对扫描仪进行校准，满足工程精度要求后，方可使用。
3）仪器架设及构件固定
高精度三维扫描对场地稳定性要求极高，扫描仪及待扫构件轻微的晃动就会对数据质量造成极大影响。在仪器架设及构件固定时，要求保证其在扫描过程中的绝对稳定。
图2 构件固定
4）构件扫描
确认扫描顺序编号及原始编号后开始扫描。扫描中仪器操作人员与数据接收人员密切配合，尽量使扫描点云满足要求的密度和精度，并尽可能保证数据的完整性。
图3 构件扫描
5）现场数据检查处理及保存
现场检查扫描数据，保证数据完整，无分层等不良现象。如数据合格，则按规则命名保存。同时做好现场记录。
6）补充扫描
检查过程中如果发现数据存在完整性或质量问题，及时进行补扫或重扫。
2.2拍摄参考照片
参考照片主要作为内业处理时的参考依据使用。拍摄要点是，用相机近距离多角度拍摄待测物体，遇到结构复杂或重点部位时，应增加照片数量，以对待测物体有全面的描述。
2.3内业数据处理及建模
Romer机械臂扫描输出格式为点云，需先处理点云，封装为三角面模型后继续处理。Range7及EXAScan输出为三角面模型，直接进行三角面模型处理。
2.3.1点云处理
删除待测物体以外的无用点云，进行去除粗差及降噪处理。步骤包括：选择并删除非连接项；选择并删除体外孤点；降低噪点；将分步扫描或补扫的数据进行拼接，合成一个完整的点云数据；对点云数据进行统一或曲率采样处理，去除冗余数据；将处理好的点云数据进行封装，形成三角网格模型。
2.3.2三角网格模型处理
因结构形状及躁点数据造成的模型缺陷及漏洞等，用填补小孔洞工具、网格医生工具等，检查、修复自相交、钉状物等错误。提高模型完整度及还原度，尽量提高测量数据的精确度。
摘要：逆向工程，三维扫描技术是近年来一项快速发展的新兴技术。本文使用三维扫描技术在古建筑、文物保护方面的进行应用实践及研究。为该技术在今后各领域的应用提出参考和借鉴。
关键词：逆向工程；三维扫描；古建筑饰件；表面积测量
引言
古建筑文物是不可再生的资源，是人类文化遗产的宝贵财富。然而，由于长期风雨侵蚀，古建筑金属构件的镀金保护层污损严重，甚至局部脱落，大大影响了建筑的外观，也使金属构件存在进一步被腐蚀的危险，因此在古建筑保护中，需要对污损脱落金属构件重新镀金。
需要镀金的金属构件立体形态复杂，数量较多，表面积不易估算。而且黄金价格又非常昂贵，若镀金面积测量结果出现偏差，将会使工程预算出现较大的偏差，也会造成极大的浪费。采用三维扫描技术，可以较为快速、方便地估算古建筑金属构件的表面积。
如何检验三维扫描获得的古建筑金属构件表面积测量成果的可靠性和准确性，从而为工程造价预算、结算的准确性提供保证呢？下面是笔者在某古建筑金属构件表面积量算复测项目中进行的实践和探索。
1主要工作目标与内容
本项目的主要工作目标是，采用高精度三维扫描技术，精确获得金属构件镀金区域的表面积，与原测量面积进行比对，进行复测检验。主要工作内容包括：
（1）获取云数据：对金属构件实施三维扫描，点云间距（三角面边长）不大于0.1mm，点位（三角面顶点）精度不不低于0.05mm。
（2）拍摄照片：拍摄各金属构件数码照片，便于內业数据处理时参考使用。
（3）点云数据处理：数据检核、降低噪音、点云拼接，建立各铜件点云模型。
（4）建立三角面模型：通过建模软件，通过扫描数据及处理后的点云数据，经填补及修整，建立完整的三角面模型。
（5）表面积量算：利用三维模型软件，精确量算表面积。
（6）复测检验：复测与原测量成果分析比较，检验原测量成果的可靠性和准确性。
图1 待扫构件
2数据采集
2.1点云数据采集
2.1.1采集设备
本项目采用了三种扫描仪对待测物体进行三维扫描，分别使用柯尼卡美能达RANGE7固定式三维扫描仪、CREAFORM EXAScan手持式激光三维扫描仪，以及海克斯康便携式关节臂三坐标测量机。各扫描仪主要参数分别为：
表1 Range7参数
镜头 TELE450mm TELE800mm WIDE450mm WIDE800mm
XY方向测量间隔（mm） 0.08 0.14 0.16 0.28
精度（μm） ±40
误差（Z，σ）（μm） 4
注：本次项目采用TELE450mm镜头
表2 EXAScan参数
尺寸（mm） 172 x 260 x 216
X、Y、Z 轴分辨率（mm） 0.05
精度（um） -- 40
容量精确性（um） 20 + 0.1 升/1000
表3 海克斯康Romer测头参数
尺寸（mm） 156 x 72 x 50
扫描测头精度（mm） 0.044
无插补最小点距（mm） 0.10
每线最多点数 640
2.1.2数据采集流程
1）现场准备
清理场地，保证扫描范围内无杂物。准备好扫描记录表，确认待扫构件的编号及原始成果编号。规划扫描顺序，保证外业扫描数据有序进行。
2）仪器校准
为防止仪器运输过程中的震动对仪器的精度造成影响，使用仪器前，均需使用附带的校准板及校准仪器等对扫描仪进行校准，满足工程精度要求后，方可使用。
3）仪器架设及构件固定
高精度三维扫描对场地稳定性要求极高，扫描仪及待扫构件轻微的晃动就会对数据质量造成极大影响。在仪器架设及构件固定时，要求保证其在扫描过程中的绝对稳定。
图2 构件固定
4）构件扫描
确认扫描顺序编号及原始编号后开始扫描。扫描中仪器操作人员与数据接收人员密切配合，尽量使扫描点云满足要求的密度和精度，并尽可能保证数据的完整性。
图3 构件扫描
5）现场数据检查处理及保存
现场检查扫描数据，保证数据完整，无分层等不良现象。如数据合格，则按规则命名保存。同时做好现场记录。
6）补充扫描
检查过程中如果发现数据存在完整性或质量问题，及时进行补扫或重扫。
2.2拍摄参考照片
参考照片主要作为内业处理时的参考依据使用。拍摄要点是，用相机近距离多角度拍摄待测物体，遇到结构复杂或重点部位时，应增加照片数量，以对待测物体有全面的描述。
2.3内业数据处理及建模
Romer机械臂扫描输出格式为点云，需先处理点云，封装为三角面模型后继续处理。Range7及EXAScan输出为三角面模型，直接进行三角面模型处理。
2.3.1点云处理
删除待测物体以外的无用点云，进行去除粗差及降噪处理。步骤包括：选择并删除非连接项；选择并删除体外孤点；降低噪点；将分步扫描或补扫的数据进行拼接，合成一个完整的点云数据；对点云数据进行统一或曲率采样处理，去除冗余数据；将处理好的点云数据进行封装，形成三角网格模型。
2.3.2三角网格模型处理
因结构形状及躁点数据造成的模型缺陷及漏洞等，用填补小孔洞工具、网格医生工具等，检查、修复自相交、钉状物等错误。提高模型完整度及还原度，尽量提高测量数据的精确度。