石窟寺文物三维激光扫描数字化采集规程.docx

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石窟寺文物三维激光扫描数字化采集规程

石窟寺文物三维激光扫描数字化采集规程

1前  言

2

本规程起草规则依据GB/T1.1-2009。

本规程由山西省文物局提出并归口。

本规程由云冈石窟研究院负责编写，参编单位有浙江大学、武汉大学、北京建筑大学、山西云冈数字科技有限公司、大同市勘察测绘院。

本规程的主要起草人：

张焯、卢继文、宁波、刁常宇、黄先锋、何勇、欧阳盼、卿照、吴邵明、谷立鹏、周宇超、崔晓霞。

1范围

本标准规定了石窟寺文物三维数字化工作中的基本术语。

本标准适用于石窟寺内部文物数字化工作中的技术设计与施工方案。

2规范性引用文件

下列文件对于本应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）适用于本文件。

中华人民共和国文物保护法（2017）；

田野考古工作规程修订版（2009）；

GB/T18314-2009全球定位系统（GPS）测量规范；

GB/T12898-2009国家三、四等水准测量规范；

GB/T15314-1994精密工程测量规范；

GB/T14950-2009摄影测量与遥感术语；

GB/T50103-2010总图制图标准（附条文说明）；

GB/T17941-2008数字测绘成果质量要求；

GB/T18316-2008数字测绘成果质量检查与验收；

GB/T24356-2009测绘成果质量检查与验收；

GB/T18894-2016电子文件归档与管理规范；

CH/T9016-2012三维地理信息模型生产规范；

CH/T1004测绘技术设计规定；

JJG100全站型电子速测仪检定规程；

CJJ/T73卫星定位城市测量技术规范；

JJG2101数字水准仪检定规程；

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1石窟寺

石窟寺是开凿于山崖上的佛教洞窟，俗称千佛洞，是佛教文化东传的历史产物，集中代表了佛教的建筑艺术、雕塑艺术和壁画艺术的辉煌成就。

3.2三维激光扫描

三维激光扫描又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。

它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。

三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

3.3数字化采集

运用三维技术设备对文物本体进行数据获取的过程。

3.4点云

以离散方式分布在三维空间中的点的集合。

3.5点云密度

单位体积上点的平均数量。

3.6点间距

点云中相邻两点之间的距离。

3.7点云配准

把不同局部坐标系点云数据通过同名几何条件约束，变换到统一坐标系下，构成完整点云数据的过程。

3.8纹理模型

带有纹理信息的三维实体表面模型。

3.9数字正射影像digitalorthophotomap

利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片、遥感影像（单色/彩色），经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。

这个是属于后处理过程中的成果，作为采集规程是否需要包含？

另外，概念里指明了正射影像的制作方式，实际上应该不止一种方式，建议去除。

4基本要求

4.1平面基准

平面基准宜采用2000国家坐标系，采用地方坐标系时应与国家坐标系联测。

4.2高程基准

高程基准宜采用1985国家高程基准,采用地方高程基准时应与国家坐标系联测。

4.3时间基准

地面三维激光扫描作业及产品涉及的日期宜采用公元纪年，时间应采用北京时间。

4.4精度指标

空间点位相对精度（mm）以中误差衡量，取两倍中误差为限差。

。

空间点位相对精度是指点云中两点之间的距离与实际量测距离的较差。

。

这个精度指标个人建议不宜用绝对指标来限定，对应不用测量等级石窟文物，可设定具体精度等级。

参照一般测量误差定义：

“”

4.5数据格式要求

各种成果输出的格式应遵循表1的规定：

表1成果数据格式

数据类型

数据格式

点云

.txt,.xyz,.pts,.ptx，.obj等

控制点，标靶点

.txt,.xyz,.pts,.ptx，.obj等

纹理模型

.3ds、.obj、.igs等

数字正射影像

.tiff、.jpg、.tga、.png等

视频数据

.wma、.avi、.mp4、.mpeg等

5前期准备

5.1技术设计

技术设计应根据采集要求，结合已有资料、实地察勘情况及相关的技术规范，编制技术设计书。

技术设计书的编写体例应符合现行行业标准CH/T1004的规定。

技术设计书的主要内容应包括：

工作范围、工作内容、仪器配置、工作流程、成果技术指标和规格。

5.2仪器检

5.2.1总体要求

应按技术设计书中的仪器配置要求，准备相应符合要求的仪器设备及附属设备，并保证在检校合格有效期内。

应对所选用软件是否满足预期用途的能力进行确认。

5.2.2三维激光扫描仪的精度指标

根据技术设计书的精度选择适宜的地面三维激光扫描设备，可选择单一类型扫描仪，也可多种型号扫描仪配合使用，地面站式三维激光扫描仪观测精度指标应满足下列要求：

a）测距精度md≤3mm；

b）测角精度mβ≤6″。

5.2.3数码相机检查

能够正常拍摄图像，内存卡容量应充足；外置同轴相机需进行参数校正。

5.2.4全站仪检验

全站仪设备按照现行JJG100规定的要求进行作业前的检验。

5.2.5GNSS接收设备检验

GNSS接收设备应按现行行业标准CJJ/T73的规定要求进行作业前的检验。

5.2.6水准仪的检验

水准仪设备应按现行测绘地理信息计量检定规程JJG2101的规定要求进行作业前的检验。

6控制测量

6.1控制网布设

6.1.1不单独布设控制网的要求

局部、小区域或单体扫描目标物，符合下列条件时可不单独布设控制网,固定扫描目标物宜与已有空间参考系建立联系。

a）区域面积小于0.01平方千米，扫描站可以通过标靶进行闭合时；

b）线状区域、长度在300m以下时；

c）扫描站数不超过10站时。

6.1.2控制网布设要求

a）控制网应根据已知控制点的情况、测区内地形地貌情况、区域内扫描目标物的分布情况和不同目标物扫描的不同精度要求，设计控制网的网形和线路走向；

b）控制网应全面控制扫描的区域，在分区进行扫描作业时，应对各区的点云数据的配准起到联系和控制误差传递的作用；

c）两个控制点间扫描站数应不超过10站；

d）控制网宜沿主要道路布设，宜设计为附和线路或构成网状；

e）控制点位选定应方便标靶点的测量。

6.2控制网观测

a）控制测量方法。

一级导线、二级GNSS静态、四等水准；

b）导线测量、GNSS测量和水准测量作业应符合现行行业标准CJJ/T8中的规定。

7三维扫描

7.1作业流程

数据采集作业流程包括：

扫描站布设、标靶布设、设站扫描、纹理图像数据获取、外业数据检查、数据导出。

7.2扫描站测设

7.2.1扫描站布设

扫描站的布设应遵循以下原则：

a）扫描站应该设置在视野开阔、地面稳定的安全区域；

b）设计扫描站的扫描范围应覆盖整个扫描目标物，均匀布设，尽量减少设站数量；

c）目标物结构复杂、通视困难或线路拐角的情况应适当增加扫描站。

7.2.2扫描站坐标观测

需要测设扫描站坐标时，应在不同控制点上测设扫描站坐标至少2次，各次测量值平面较差不大于2cm，高程较差不大于2cm。

取各次测量平均值作为扫描站坐标。

7.3标靶设置要求

7.3.1标靶布设

标靶布设应遵循以下原则：

a）每一扫描站的标靶个数不少于4个；

b）相邻两扫描站的公共标靶个数不少于3个；

c）标靶应在相邻两扫描站连线的中点附近区域，均匀布置且高低错落；

d）同一扫描站标靶之间的距离至少有一个不小于扫描目标物主体到扫描站的距离；

e）标靶设置困难地区，可选择在点云中有明显特征的点、线等来代替标靶。

7.3.2标靶测设

在需要借助标靶进行坐标系转换时，应在不同控制点上施测两次以上，各次测量值平均较差不大于2cm，高程较差不大于2cm。

取各次测量平均值作为标靶的中心坐标。

7.4点云数据采集

点云数据采集应满足下列要求：

a）作业前应将仪器放置在观测环境中进行温度平衡；

b）激光扫描仪应按以下步骤操作：

架设扫描站、建立扫描项目、扫描范围设置、点间距或者采集分辨率设置、开始扫描；

c）扫描站应按顺序编号；

d）每个工程应建立一个文件夹，文件夹宜用工程名命名，同一个工程每天的数据应建立一个文件夹，文件夹宜用“日期”命名。

每个扫描站数据宜建立一个文件，文件名命名宜采用“扫描站号+扫描站位置描述”的方式命名；

e）扫描点间距≤2mm；

f）如果整体采集分辨率较低时，应对标靶进行精扫；

g）相邻扫描站间点云数据的重叠度应不低于30%；

h）扫描过程中如果仪器工作出现断电、死机等异常，或者仪器位置出现变化，应重新启动仪器进行自检、重新开始扫描；

i）点云的覆盖率应≥90%。

7.5纹理图像数据采集

a）纹理图像采集宜使用满足分辨率要求的单反相机，单张图像相幅设置到相机的最大分辨率；

b）相机的最小像素应不低于1000万像素；

c）图像的拍摄角度应尽可能保持镜头正对目标面。

无法正面拍摄全景时，先拍摄部分全景，再逐个正对拍摄，后期再进行合成；

d）宜选择光线较为柔和、均匀的天气进行拍摄，避免逆光拍摄。

能见度过低或光线过暗时不宜拍摄；

e）相邻照片之间应保证有不小于30%的重叠区域；

f）采集图像时应画好图像采集分布图。

8数据处理

8.1处理流程

数据处理应包括点云数据配准与误差改正、坐标系转换、降噪与抽稀,图像数据预处理等基本流程。

8.2点云数据配准与误差改正

根据不同的作业方法，可选择应用控制点、地物特征点、标靶进行点云数据配准，并应符合下列规定。

a）相邻扫描站间点云重叠度不应小于30%；

b）采用不少于3个同名点建立转换矩阵进行点云配准，配准后同名点的内附合精度高于点间距。

8.3坐标系转换

坐标系转换并应符合下列规定：

a）石窟寺文物三维扫描点云，不宜使用绝对坐标的整体转换；

b）应采用3个以上、分布均匀的同名点进行坐标系转换，通过参数模型解算点云坐标系和绝对坐标系之间的转换参数，坐标转换残差应小于5mm。

8.4降噪与抽稀

a）点云数据中存在脱离扫描目标物的异常点、孤立点时，应视点的数量采用滤波方法或人工手动进行点云数据降噪处理；

b）对点云数据抽稀应符合下列规定：

1）扫描目标物表面曲率变化不大区域宜用均匀抽稀，抽稀的原则满足建模时点密度要求；

2）扫描目标物表面曲率变化明显区域宜采用保持特征的抽稀，根据法向量变化和曲率识别特征区域进行抽稀。

8.5图像数据处理

具体步骤应包括图像色调调整和色彩纠偏、变形纠正、图像配准、格式转换，同时应符合下列要求：

a）图像出现曝光过度、曝光不足、阴影、相邻图像间的色差等现象时，应进行色调调整，色彩纠偏，保持图像反差适中、色调一致；

b）因视角或镜头畸变引起变形，应对图像的变形部分作纠正处理；

c）图像配准时，应保证图像细节表现清晰，无配准镶嵌缝隙；

d）宜将处理后的图像转换为通用的文件格式；

e）处理后的图像应与实地情况相符，真实反映实际材质的图案、质感、颜色及透明度。

9成果制作

9.1三维模型制作流程

三维模型作业流程包括：

模型建立、纹理图像处理、纹理映射等。

9.2三维模型要求

模型制作应符合下列规定：

1）应利用点云三角化的方法建立初步模型，初步模型应满足精度要求；

2）宜利用孔填充、边修补、简化和细化、光滑处理等技术手段优化初步模型。

9.3纹理映射要求

a）纹理映射的阈值（三角网模型与图像的对应点偏差值）不应大于2mm；

b）纹理映射完成后须严格检查图像和三角网模型的匹配质量，对于超过阈值的映射成果需重新选取同名点对，重新纹理映射。

纹理映射的阈值（三角网模型与图像的对应点偏差值）不应大于2mm；

d）纹理映射完成后须严格检查图像和三角网模型的匹配质量，对于超过阈值的映射成果需重新选取同名点对，重新纹理映射。

这个限定了纹理映射的方法？

建议只对映射成果限定，如纹理与几何点误差不超过多少像素或者距离？

9.4数字正射影像要求

a）数字正射影像图的作业流程应包括点云正摄纠正、图像数据预处理、构建三角网、纹理映射、图像输出、图像融合、图像裁切等过程；

b）正射影像图应无明显配准痕迹，图像色彩应接近真彩色，纹理应清晰，色调应均匀，反差应适中；

c）图像输出时应考虑最终成果的比例尺，辨分率不应小于75dpi；

d）截屏输出的正射影像必须保证放大的倍数一致，并且相邻两张图像有不少于25%的重叠区域；

e）正射影像图宜以TIFF格式存储。

9.5平面图、立面图、剖面图制作要求

a）平面图、立面图、剖面图制作应符合GB/T50001-2001和GB/T50104-2010、GB/T50103-2001相关规定；

b）剖面图宜采用点云切片方式绘制，使切片点云投影到平面，基于投影点云描绘；

c）由于点云采集不全，无法准确获取结构尺寸时，对于目标物交接关系明确的，可根据露明部分尺寸推算隐蔽尺寸，反推算的结果应特别说明；

d）平面图、立面图、剖面图的结构尺寸应实地检核，较差应不大于1cm；

e）基于数字正射影像绘制某一比例尺的平面图、立面图，依据的正射影像的比例尺不应小于绘制比例尺的2倍。

10质量检查

各成果的质量检查与验收应符合GB/T24356-2009及GB/T18316-2008的规定，同时满足技术设计书的要求。

按照本规程规定的内容和指标进行检查，详细质量检查方法遵循GB/T24356-2009及GB/T-18316-2008中相关规定。

10.1点云数据质量检查

主要检查点云覆盖、点云着色情况。

表2点云数据检查质量元素与详查内容

质量元素

详查内容

点云覆盖情况

1、原始点云密度；

2、原始点云噪点情况；

3、原始点云点间距；

4、处理后点云密度；

5、处理后点云完整性；

6、处理后点云是否有分层，以配准精度为准。

点云着色情况

具有真实RGB信息

10.2三维模型质量检查

表3三维模型检查质量元素与详查内容

质量元素

详查内容

点云模型正确性

1、点云模型单位选择：

mm。

2、检查标靶点云完整性

a）两扫描站之间公共标靶数目；

b）标靶分布情况；

c）标靶拟合精度；

d）扫描站间的配准精度。

3、检查点云模型的可靠性

a）单扫描站云数据无相对偏移；

b）点云数据噪声情况；

4、检查点云数据是否有分层；

三角网模型正确性

1、三角网模型的单位：

mm

2、三角网模型的空间位置是否正确，保证其与原始点云的空间位置一致；

3、无关模型是否删除干净。

即与被测物体不相关的点云，如行人、飞鸟、标靶球等；

4、三角网模型表面完整，无孔洞；

5、三角网模型无重叠面。

即模型无分层，无面的重叠，以避免模型显示、纹理映射时出错，同时减少无用模型；

6、三角网模型表面平滑，无钉状物；

7、三角网模型要清晰体现被测物体的细节，保证模型的表面精度为2mm以内；

8、带纹理三角网模型，其纹理需清晰，每2mm*2mm的范围内需有一个有效像素；

9、带纹理三角网模型，其纹理需明暗适中，不允许有接缝出现；

10、带纹理三角网模型，其纹理需完整，不允许有空洞出现。

10.3数字正射影像图（DOM）质量检查

表4数字正射影像图检查质量元素与详查内容

质量元素

详查内容

数学精度

平面位置精度

数据及结构正确性

1、数据组织和文件命名的正确性；

2、数据格式的正确性；

3、数据的坐标系统和投影的正确性；

4、原始数据使用的正确性；

5、图像分辨率的正确性。

图像质量

1、图像色调和反差；

2、图像清晰度和纹理表现；

3、图像配准和接边质量；

4、图像外观质量（噪声、云块、划痕、斑点、污迹等）；

5、图像色彩。

资料质量

1、元数据文件的正确性、完整性；

2、其它文档资料的正确性、完整性。

10.4平面图、立面图、剖面图的质量检查

表5平面图、立面图、剖面图检查质量元素与详查内容

质量元素

详查内容

数据正确性

1、外形结构完整、表达清楚；

2、

3、文字描述准确性；

4、

5、尺寸标注正确性；

6、

7、比例尺正确性；

8、

9、图例表达合理性；

10、

11、与多项已有资料或多项设计资料矛盾情况。

数据格式

1、.dwg、.dxf格式；

2、

3、.jpeg、.tga、.png、.tiff等。

资料质量

1、元数据文件的正确性、完整性；

2、其它文档资料的正确性、完整性。