石窟寺文物三維激光掃描數字化采集規程

前??言

本規程起草規則依據GB/T1.1-2009。

本規程由山西省文物局提出并歸口。

本規程由云岡石窟研究院負責編寫，參編單位有浙江大學、武漢大學、北京建筑大學、山西云岡數字科技有限公司、大同市勘察測繪院。

本規程的主要起草人：張焯、盧繼文、寧波、刁常宇、黃先鋒、何勇、歐陽盼、卿照、吳邵明、谷立鵬、周宇超、崔曉霞。

1范圍

本標準規定了石窟寺文物三維數字化工作中的基本術語。

本標準適用于石窟寺內部文物數字化工作中的技術設計與施工方案。

2規范性引用文件

下課列文件對于本文件文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版）適用于本文件。

中華人民共和國文物保護法（2017）；

田野考古工作規程修訂版(2009)；

GB/T18314-2009全球定位系統（GPS）測量規范；

GB/T12898-2009國家三、四等水準測量規范；

\o"點擊可在線瀏覽電子文本"

GB/T15314-1994

精密工程測量規范；

GB/T14950-2009攝影測量與遙感術語；

CH/T9016-2012三維地理信息模型生產規范；

GB/T50103-2010總圖制圖標準(附條文說明)；

GB/T17941-2008數字測繪成果質量要求；

GB/T18316-2008數字測繪成果質量檢查與驗收；

GB/T24356-2009測繪成果質量檢查與驗收；

GB/T18894-2016電子文件歸檔與管理規范；

CH/T9016-2012三維地理信息模型生產規范；

CH/T1004測繪技術設計規定；

JJG100全站型電子速測儀檢定規程；

CJJ/T73衛星定位城市測量技術規范；

JJG2101數字水準儀檢定規程；

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1石窟寺cavetemple

石窟寺是開鑿于山崖上的佛教洞窟，俗稱

千佛洞

，每一個石窟寺都是一系列精美建筑、雕塑、繪畫藝術的有機組合。石窟寺是是佛教文化東傳的歷史產物，集中代表了佛教的建筑藝術、雕塑藝術和壁畫藝術的輝煌成就。

本條定義建議再多參看文獻，是否特指佛教洞窟？是否需要指明石窟寺區別與普通洞窟特征？否則無法界定。

3.2三維激光掃描3dlaserscanning

三維激光掃描又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。

三維激光掃描應該指采用高頻激光信號獲取目標三維幾何信息的測量技術（類似表達），包含哪些種類，是否需要針對規范界定？石窟類一般應該是靜態或手持掃描技術為主，上面概念僅僅描述特點。規范類文件一般建議減少形容或者描述性語句。

3.3數字化采集digitalacquisition

運用三維技術設備對文物本體進行數據獲取的過程。

三維技術仍涵蓋攝影測量技術，另外此術語范圍太廣，通俗化，是否要添加？

3.4點云pointcloud

以離散、規則或不規則（包含全部了）方式分布在三維空間中的點的集合。

3.5點云密度pointclouddensity

單位面積體積上點的平均數量。點云是空間分布，是否為“單位體積”，另外密度是否可涵蓋“點間距”？

3.6點間距distancebetweenpoints

點云中相鄰兩點之間的距離。

3.7點云配準pointcloudregistration

把分組掃描不同局部坐標系的點云數據通過同名幾何條件約束，變換到統一坐標系下，構成完整點云數據的過程。

3.8紋理模型texturemodel

帶有紋理信息的三維實體表面模型。實體或者表面模型？還是兩者均有？

3.9數字正射影像digitalorthophotomap

利用數字高程模型對掃描處理的數字化的

航空像片

、

遙感影像

（單色/彩色），經逐個象元進行

投影差

改正，再按

影像鑲嵌

，根據圖幅范圍剪裁生成的影像數據。這個是屬于后處理過程中的成果，作為采集規程是否需要包含？另外，概念里指明了正射影像的制作方式，實際上應該不止一種方式，建議去除。

4基本要求

4.1平面基準

平面基準應宜采用2000國家坐標系，采用地方坐標系時應與國家坐標系聯測。

4.2高程基準

高程基準宜應采用1985國家高程基準,采用地方高程基準時應與國家坐標系聯測。

4.3時間基準

地面三維激光掃描作業及產品涉及的日期應宜采用公元紀年，時間應采用北京時間。

4.4精度指標

空間點位相對精度（mm）以中誤差衡量，取兩倍中誤差為限差。±2+2D×10-4。空間點位中的誤差，點間距≤2mm。空間點位相對精度是指點云中兩點之間的距離與實際量測距離的較差。D以米為單位，不足10m按10m計算。這個精度指標個人建議不宜用絕對指標來限定，對應不用測量等級石窟文物，可設定具體精度等級。參照一般測量誤差定義：“以中誤差衡量，取兩倍中誤差為限差。”

4.5數據格式要求

各種成果輸出的格式應遵循表1的規定：

表1成果數據格式

數據類型

數據格式

點云

.txt,.xyz,.pts,.ptx，.obj等

控制點，標靶點

.txt,.xyz,.pts,.ptx，.obj等

紋理模型

.3ds、.obj、.igs等

數字正射影像

.tiff、.jpg、.tga、.png等

視頻數據

.wma、.avi、.mp4、.mpeg等

5前期準備

5.1技術設計

技術設計應根據采集要求，結合已有資料、實地察勘情況及相關的技術規范，編制技術設計書。技術設計書的編寫體例應符合現行行業標準CH/T1004的規定。

技術設計書的主要內容應包括：工作范圍、工作內容、儀器配置、工作流程、成果技術指標和規格。

5.2儀器檢校

5.2.1總體要求

應按技術設計書中的儀器配置要求，準備相應符合要求的儀器設備及附屬設備，并保證在檢校合格有效期內。應對所選用軟件是否滿足預期用途的能力進行確認。

5.2.2三維激光掃描儀的精度指標

根據技術設計書的精度選擇適宜的地面三維激光掃描設備，可選擇單一類型掃描儀，也可多種型號掃描儀配合使用，地面站式三維激光掃描儀觀測精度指標應滿足下列要求：

a)測距精度md≤3mm；

b)測角精度mβ≤6″。

這個是特指站式掃描儀？

5.2.3數碼相機檢查

能夠正常拍攝圖像，內存卡容量應充足；外置同軸相機需進行參數校正。

5.2.4全站儀檢驗

全站儀設備按照現行JJG100規定的要求進行作業前的檢驗。

5.2.5GNSS接收設備檢驗

GNSS接收設備應按現行行業標準CJJ/T73的規定要求進行作業前的檢驗。

5.2.6水準儀的檢驗

水準儀設備應按現行測繪地理信息計量檢定規程JJG2101的規定要求進行作業前的檢驗。

6控制測量

6.1控制網布設

6.1.1不單獨布設控制網的要求

局部、小區域或單體掃描目標物，符合下列條件時可不單獨布設控制網,固定掃描目標物宜與已有空間參考系建立聯系。

a)區域面積小于0.01平方千米，掃描站可以通過標靶進行閉合時；

b)線狀區域、長度在300m以下時；

c)掃描站數不超過10站時。

6.1.2控制網布設要求

a)控制網應根據已知控制點的情況、測區內地形地貌情況、區域內掃描目標物的分布情況和不同目標物掃描的不同精度要求，設計控制網的網形和線路走向；

b)控制網應全面控制掃描的區域，在分區進行掃描作業時，應對各區的點云數據的配準起到聯系和控制誤差傳遞的作用；

c)兩個控制點間掃描站數應不超過10站；

d)控制網宜沿主要道路布設，宜設計為附和線路或構成網狀；

e)控制點位選定應方便標靶點的測量。

6.2控制網觀測

a)控制測量方法。一級導線、二級GNSS靜態、四等水準；

b)導線測量、GNSS測量和水準測量作業應符合現行行業標準CJJ/T8中的規定。

7三維掃描

7.1作業流程

數據采集作業流程包括：掃描站布設、標靶布設、設站掃描、紋理圖像數據獲取、外業數據檢查、數據導出。

7.2掃描站測設

7.2.1掃描站布設

掃描站的布設應遵循以下原則：

a)掃描站應該設置在視野開闊、地面穩定的安全區域；

b)設計掃描站的掃描范圍應覆蓋整個掃描目標物，均勻布設，盡量減少設站數量；

c)目標物結構復雜、通視困難或線路拐角的情況應適當增加掃描站。

7.2.2掃描站坐標觀測

需要測設掃描站坐標時，應在不同控制點上測設掃描站坐標至少兩2次，各次測量值平面較差不大于2cm，高程較差不大于2cm。取各次測量平均值作為掃描站坐標。

7.3標靶設置要求

7.3.1標靶布設

標靶布設應遵循以下原則：

a)每一掃描站的標靶個數不少于4個；

b)相鄰兩掃描站的公共標靶個數不少于3個；

c)標靶應在相鄰兩掃描站連線的中點附近區域，均勻布置且高低錯落；

d)同一掃描站標靶之間的距離至少有一個不小于掃描目標物主體到掃描站的距離；

e)標靶設置困難地區，可選擇在點云中有明顯特征的點、線等來代替標靶。

7.3.2標靶測設

在需要借助標靶進行坐標系轉換時，應在不同控制點上施測兩次以上，各次測量值平均較差不大于2cm，高程較差不大于2cm。取各次測量平均值作為標靶的中心坐標。

這個建議采用相對精度或設立不同等級。

7.4點云數據采集

點云數據采集應滿足下列要求：

a)作業前應將儀器放置在觀測環境中進行溫度平衡；

b)激光掃描儀應按以下步驟操作：架設掃描站、建立掃描項目、掃描范圍設置、點間距或者采集分辨率設置、開始掃描；

c)掃描站應按順序編號；

d)每個工程應建立一個文件夾，文件夾宜用工程名命名，同一個工程每天的數據應建立一個文件夾，文件夾宜用“日期”命名。每個掃描站數據宜建立一個文件，文件名命名宜采用“掃描站號+掃描站位置描述”的方式命名；

e)掃描點間距≤2mm；

f)如果整體采集分辨率較低時，應對標靶進行精掃；

g)相鄰掃描站間點云數據的重疊度應不低于30%；

h)掃描過程中如果儀器工作出現斷電、死機等異常，或者儀器位置出現變化，應重新啟動儀器進行自檢、重新開始掃描；

i)點云的覆蓋率應≥90%。

7.5紋理圖像數據采集

a)紋理圖像采集宜使用滿足分辨率要求的單反相機，單張圖像相幅設置到相機的最大分辨率；

b)相機的最小像素應不低于1000萬像素；

c)圖像的拍攝角度應盡可能保持鏡頭正對目標面。無法正面拍攝全景時，先拍攝部分全景，再逐個正對拍攝，后期再進行合成；

d)宜選擇光線較為柔和、均勻的天氣進行拍攝，避免逆光拍攝。能見度過低或光線過暗時不宜拍攝；

e)相鄰照片之間應保證有不小于30%的重疊區域；

f)采集圖像時應畫好圖像采集分布圖。

8數據處理

8.1處理流程

數據處理應包括點云數據配準與誤差改正、坐標系轉換、降噪與抽稀,圖像數據預處理等基本流程。

8.2點云數據配準與誤差改正

根據不同的作業方法，可選擇應用控制點、地物特征點、標靶進行點云數據配準，并應符合下列規定。

a)相鄰掃描站間點云重疊度不應小于30%；

b)采用不少于3個同名點建立轉換矩陣進行點云配準，配準后同名點的內附合精度高于點間距。

8.3坐標系轉換

坐標系轉換并應符合下列規定：

a)石窟寺文物三維掃描點云，不宜使用絕對坐標的整體轉換；

b)應采用3個以上、分布均勻的同名點進行坐標系轉換，通過參數模型解算點云坐標系和絕對坐標系之間的轉換參數，坐標轉換殘差應小于5mm。

8.4降噪與抽稀

a)點云數據中存在脫離掃描目標物的異常點、孤立點時，應視點的數量采用濾波方法或人工手動進行點云數據降噪處理；

b)對點云數據抽稀應符合下列規定：

1)掃描目標物表面曲率變化不大區域宜用均勻抽稀，抽稀的原則滿足建模時點密度要求；

2)掃描目標物表面曲率變化明顯區域宜采用保持特征的抽稀，根據法向量變化和曲率識別特征區域進行抽稀。

8.5圖像數據處理

具體步驟應包括圖像色調調整和色彩糾偏、變形糾正、圖像配準、格式轉換，同時應符合下列要求：

a)圖像出現曝光過度、曝光不足、陰影、相鄰圖像間的色差等現象時，應進行色調調整，色彩糾偏，保持圖像反差適中、色調一致；

b)因視角或鏡頭畸變引起變形，應對圖像的變形部分作糾正處理；

c)圖像配準時，應保證圖像細節表現清晰，無配準鑲嵌縫隙；

d)宜將處理后的圖像轉換為通用的文件格式；

e)處理后的圖像應與實地情況相符，真實反映實際材質的圖案、質感、顏色及透明度。

9成果制作

9.1三維模型制作流程

三維模型作業流程包括：模型建立、紋理圖像處理、紋理映射等。

9.2三維模型要求

模型制作應符合下列規定：

1)應利用點云三角化的方法建立初步模型，初步模型應滿足精度要求；

2)宜利用孔填充、邊修補、簡化和細化、光滑處理等技術手段優化初步模型。

9.3紋理映射要求

a)紋理映射的閾值（三角網模型與圖像的對應點偏差值）不應大于2mm；紋理映射應在三角網模型和圖像上選定同名點對，從而計算相片的內外方位元素和系統誤差改正數；

b)紋理映射完成后須嚴格檢查圖像和三角網模型的匹配質量，對于超過閾值的映射成果需重新選取同名點對，重新紋理映射。

同名點對的選擇應符合下列規定：

1)同名點應選擇位置明顯、特征突出的點；

2)同名點選擇應覆蓋整個三角網模型及對應圖像；

3)各同名點應不在一條直線上，也不應在近似一個平面內；

4)選取的同名點對不應少于7對，多選一般可以提高紋理映射的質量；

c)紋理映射的閾值（三角網模型與圖像的對應點偏差值）不應大于2mm；

d)紋理映射完成后須嚴格檢查圖像和三角網模型的匹配質量，對于超過閾值的映射成果需重新選取同名點對，重新紋理映射。

這個限定了紋理映射的方法？建議只對映射成果限定，如紋理與幾何點誤差不超過多少像素或者距離？

9.4數字正射影像要求

a)數字正射影像圖的作業流程應包括點云正攝糾正、圖像數據預處理、構建三角網、紋理映射、圖像輸出、圖像融合、圖像裁切等過程；

b)正射影像圖應無明顯配準痕跡，圖像色彩應接近真彩色，紋理應清晰，色調應均勻，反差應適中；

c)圖像輸出時應考慮最終成果的比例尺，辨分率不應小于75dpi；

d)截屏輸出的正射影像必須保證放大的倍數一致，并且相鄰兩張圖像有不少于25%的重疊區域；

e)正射影像圖宜以TIFF格式存儲。

9.5平面圖、立面圖、剖面圖制作要求

a)平面圖、立面圖、剖面圖制作應符合GB/T50001-2001和GB/T50104-2010、GB/T50103-2001相關規定；

b)剖面圖宜采用點云切片方式繪制，使切片點云投影到平面，基于投影點云描繪；

c)由于點云采集不全，無法準確獲取結構尺寸時，對于目標物交接關系明確的，可根據露明部分尺寸推算隱蔽尺寸，反推算的結果應特別說明；

d)平面圖、立面圖、剖面圖的結構尺寸應實地檢核，較差應不大于1cm；

e)基于數字正射影像繪制某一比例尺的平面圖、立面圖，依據的正射影像的比例尺不應小于繪制比例尺的2倍。

10質量檢查

各成果的質量檢查與驗收應符合GB/T24356-2009及GB/T18316-2008的規定，同時滿足技術設計書的要求。按照本規程規定的內容和指標進行檢查，詳細質量檢查方法遵循GB/T24356-2009及GB/T-18316-2008中相關規定。

10.1點云數據質量檢查

主要檢查點云覆蓋、點云著色情況。

表2點云數據檢查質量元素與詳查內容

質量元素

詳查內容

點云覆蓋情況

1、原始點云密度；

2、原始點云噪點情況；

3、原始點云點間距；

4、處理后點云密度；

5、處理后點云完整性；

6、處理后點云是否有分層，以配準精度為準。

點云著色情況

具有真實RGB信息

10.2三維模型質量檢查

表3三維模型檢查質量元素與詳查內容

質量元素

詳查內容

點云模型正確性

1、點云模型單位選擇：mm。

2、檢查標靶點云完整性

a)兩掃描站之間公共標靶數目；

b）標靶分布情況；

c）標靶擬合精度；

d）掃描站間的配準精度。

3、檢查點云模型的可靠性

a）單掃描站云數據無相對偏移；

b）點云數據噪聲情況；

4