論三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與古典園林池山部分的表達(dá)★

喻夢哲 林 溪

(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

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·園林·綠化·

論三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與古典園林池山部分的表達(dá)★

喻夢哲 林 溪

(西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

以蘇州環(huán)秀山莊與耦園為例，針對古典園林中池、山等部分的外觀輪廓難以精確測量和清晰表達(dá)的問題作了研究，探討了三維激光掃描與近景攝影測量等技術(shù)在此類工作中的應(yīng)用，以供參考。

池山輪廓，非歐幾何體，三維激光掃描，近景攝影測量

0 引言

我國古典園林的構(gòu)成要素眾多，而尤以池、山為核心骨架，園林整體的風(fēng)貌也正是藉由其格局和品味奠定。

由于山石擺放、池岸走勢皆需順應(yīng)自然，故其輪廓向無規(guī)律可循；而山石層次的復(fù)雜多變，又為量得數(shù)據(jù)后的圖面表達(dá)帶來更多困難。

自2011年起，西安建筑科技大學(xué)針對諸多蘇州古典園林，使用三維激光掃描和近景攝影測量技術(shù)對其中幾座代表性的假山、池沼部分進(jìn)行了信息采集，以作輔助制圖之用。

1 傳統(tǒng)測量手段評述

傳統(tǒng)測量儀器包括經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀及手工皮、卷尺等，具體操作分平面、立面兩個(gè)環(huán)節(jié)完成，先行量得各建筑物臺(tái)基部分角點(diǎn)作為定位依據(jù)，再自臺(tái)基邊緣以直角坐標(biāo)法或兩點(diǎn)法向外引出池、山部分各標(biāo)高上的控制性拐點(diǎn)，獲得其分層輪廓，繼而由測得多個(gè)特征點(diǎn)令各石塊的邊緣閉合。在此基礎(chǔ)上利用經(jīng)緯儀量點(diǎn)并代入公式計(jì)算，得到石塊水平與豎直方向的拐點(diǎn)數(shù)據(jù)，連接后即得到立面輪廓。

這樣的技術(shù)手段，雖然有成本低廉、輕便易攜、流程單一等優(yōu)點(diǎn)，但耗費(fèi)人工，測得數(shù)據(jù)有限且精度不足，因此有必要嘗試新的信息采集技術(shù)，比較與反思新、舊測繪手段在記錄與表達(dá)池、山要素時(shí)的優(yōu)劣差別。

2 三維激光掃描技術(shù)在園林測繪中的使用

三維激光掃描儀采用激光測距的工作原理，連續(xù)、自動(dòng)采集海量數(shù)據(jù)，可以快速、準(zhǔn)確、無接觸地完成復(fù)雜表面的測量工作，而被測對象表面掃描點(diǎn)的集合則稱為“點(diǎn)云”。

在環(huán)秀山莊北側(cè)池、山部分的測繪中，我們利用徠卡C10掃描儀，前后共架設(shè)11個(gè)分站，圍繞假山形成閉合導(dǎo)線。

經(jīng)總結(jié)，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于園林假山時(shí)主要存在以下問題：其一是盲區(qū)眾多，因山石縱橫堆疊，相互遮擋，形成大量孔隙，加之山徑狹窄，難以架站，導(dǎo)致缺失信息較多，模型完整度不高。其二是難以降噪，因園林池、山之上，大量植物與測量對象混雜，無法剝離。其三是難以建模，三角網(wǎng)封裝無法適用于遮擋嚴(yán)重的山石，導(dǎo)致難以將點(diǎn)云總合成具有閉合表面的模型。即或如此，一個(gè)較為粗糙的全息點(diǎn)云模型對于園林測繪及園林史教學(xué)還是不無裨益的。通過整理兩套技術(shù)路線分別針對同一對象的測繪成果，我們總結(jié)了一些結(jié)合兩者之長以校正、完善最終圖面成果的方法，詳述如下。

3 點(diǎn)云在測繪圖校正過程中的應(yīng)用方法

3.1 點(diǎn)云切片操作與山石層次的精確表達(dá)

石砌假山本質(zhì)上是由各標(biāo)高上各自閉合的成組石塊上下堆疊而成，而又以山徑、澗谷、飛橋、石洞等要素打斷水平組塊、聯(lián)通豎向體塊，使之相互穿插交織而成。因此，測量和繪制假山平、立面時(shí)，分清層次最為重要。在點(diǎn)云中，可以人為選擇切片位置和厚度，使其僅呈現(xiàn)該位置的物象輪廓并分層描圖、疊加以獲得精確的立面邊緣。這相當(dāng)于在信息采集階段以機(jī)器自動(dòng)讀數(shù)代替人工測點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)輔助制圖階段以描摹光柵圖像代替算點(diǎn)繪圖，從而將復(fù)雜勞動(dòng)轉(zhuǎn)化為簡單勞動(dòng)，大幅提升工作效率。

3.2 攝影測量與池岸輪廓的直觀呈現(xiàn)

在耦園黃石假山及池岸的測量工作中，我們綜合利用了多種攝影測量的手段，首先在池、山控制點(diǎn)上粘貼紙標(biāo)靶，利用全站儀打點(diǎn)形成控制性空間網(wǎng)格；其次沿山體邊緣環(huán)繞拍攝；最后利用大疆精靈3型四旋翼無人機(jī)進(jìn)行了航拍；最后利用PhotoScan軟件處理攝得照片。在此基礎(chǔ)上，我們以正射俯瞰視角調(diào)整模型并截圖，導(dǎo)入CAD文件后勾勒池、山整體輪廓與較大石塊的邊緣及分體線，得到了較手工測量更為準(zhǔn)確的平面圖形。

3.3 數(shù)碼相片提取與色彩渲染的真實(shí)表現(xiàn)

由于攝影測量所需照片量巨大，且其最終模型直接來自大量總和后的相片，其體現(xiàn)出的色彩與材質(zhì)十分接近于現(xiàn)實(shí)中的平均情況，因此可作為圖紙后期著色的重要信息來源。即直接將模型圖片導(dǎo)入Photoshop等軟件，吸取相應(yīng)位置顏色后對白線圖進(jìn)行渲染。

3.4 點(diǎn)云密度估測與樹形樹冠的初步記錄

使用三維激光掃描同樣可以記錄樹木的相關(guān)信息，雖然無法像建筑、山體、道路等硬質(zhì)部分一樣精確計(jì)量，但較之以往的目測，還是更為可靠。除了枝干形態(tài)、紋理等直觀信息外，尚可利用點(diǎn)云對樹冠體積等較為虛化的空間關(guān)系進(jìn)行推算。按照所謂的“體元模擬法”，可以用固定大小的體元模擬不規(guī)則的樹冠形狀，即首先將樹冠沿高度方向以k為單位分段，將每一段內(nèi)的三維測點(diǎn)投射到底平面上，繼而將底平面劃分為k×k的像元，根據(jù)投射到各個(gè)像元內(nèi)的點(diǎn)的數(shù)量，以某一密度為限判定其有效性。統(tǒng)計(jì)有效像元數(shù)量T，則樹冠體積為T個(gè)k3之和。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)k等于冠徑1/10時(shí)，計(jì)算值達(dá)到穩(wěn)定。該算法可以忽略樹冠形狀導(dǎo)致的主觀估算失誤，直接根據(jù)三維掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算樹冠體積。如此一來，三維掃描工作中的副產(chǎn)品——樹木點(diǎn)云，便可以作為植被生長情況的定量依據(jù)被記錄，從而不斷充實(shí)整體信息庫的內(nèi)涵。

4 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)測量方式，三維激光掃描和近景攝影測量技術(shù)除了無接觸無損傷、快速、準(zhǔn)確、全面之外，還具有連續(xù)性的優(yōu)勢，表現(xiàn)為對對象不規(guī)則缺陷和變形的測控，包括構(gòu)件傾斜、鼓脹、凹陷、損壞等，因而特別適合于較復(fù)雜的非歐幾何體塊。這種特性與中國古典園林中以自然石材為主體構(gòu)建的池岸、假山等部分恰相契合，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測繪手段在面對這部分內(nèi)容時(shí)的技術(shù)短板，無論從古典園林信息記錄的角度，還是新興量測技術(shù)適用對象的擴(kuò)展方面來看，都是非常重要的學(xué)科交叉增長點(diǎn)，因而有必要圍繞這一課題展開更多的實(shí)驗(yàn)與探討，從而使新的技術(shù)更好地服務(wù)于遺產(chǎn)保護(hù)與人才培養(yǎng)。

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[2] 趙國強(qiáng).基于三維激光掃描與近景攝影測量數(shù)據(jù)的三維重建精度對比研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2012.

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On the drawing expression of rockery and pond in a classical Chinese garden and point cloud of 3D laser technique★

Yu Mengzhe Lin Xi

(CollegeofArchitecture,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055,China)

As the main part of a classical Chinese garden, the rockery and pond’s profile could hardly been accurately measured and clearly expressed. Thus it takes the rockery of Huanxiu Villa and Couples retreat Garden as example, discuss the new measuring methods such as 3D laser scanning and close-range photogrammetry’s application prospect in the future surveying works all around the classical gardens, for reference.

the profile of rockery and pond, non euclidean geometry, 3D laser scanning, close-range photogrammetry

1009-6825(2016)30-0197-02

2016-08-16 ★:陜西省教育廳專項(xiàng)課題成果(課題編號(hào)：14Jk1430)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃“三維激光掃描技術(shù)在中國古典園林信息采集中的應(yīng)用研究”成果(項(xiàng)目編號(hào)：6040500928)

喻夢哲(1984- )，男，講師； 林 溪(1984- )，男，在讀博士

TU986

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