三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中的应用_陈刚.pdf

第 卷 第 期 年 月 北京测绘 引文格式：陈刚，赵思佳三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中的应用北京测绘，（）：，（）：收稿日期 作者简介 陈刚（），男，河南郑州人，硕士，讲师，研究方向为数字城市。：三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中的应用陈 刚 赵思佳（河南测绘职业学院，河南 郑州）摘 要 三维激光扫描仪相比较传统的对古建筑的测绘工作具有速度快、信息全、无接触、误差小等无法比拟的优点，近年来在古建筑修缮、重建中得到广泛应用。本文以郑氏宗祠数字化重建为实例，使用 激光扫描仪，基于、软件，构件了郑氏宗祠三维模型，并尝试对斗拱精细构件进行重建，实现了古建筑三维数字化存档。并且本文对古建筑数字化保护的技术路线、外业数据采集、内业数据处理、数字三维模型重建相关技术进行了详细阐述和总结。关键词 三维激光扫描技术；三维建模；数字化保护；古建筑测绘中图分类号 文献标识码 文章编号（）引言中国传统古建筑承载着中华民族的历史变迁和先民智慧，伴随着时间流逝，古建筑的保护已经成为我们亟须解决的问题。传统的古建筑测绘单单运用尺规作图，工作量大，精度低，难以完整表达古建筑的样式，在细节上又不能准确记录精巧复杂的建筑结构。怎样运用现代化测绘技术运用在古建筑保护和重建研究中，成为一个重要的课题。传统的古建筑测绘主要使用全站仪测量建筑各点位的坐标，结合测距仪器测量建筑细部构件的尺寸，并同时利用摄影技术完成建筑物高清影像的采集。外业采集的同时需要绘制草图，最终将点坐标和影像数据导入计算机辅助设计（，）绘图软件中，结合草图完成古建筑的测绘工作。传统的古建筑测绘方法工作量大、速度慢，对人员要求高，很难满足我国古建筑保护时间的紧迫性和测绘数据的高精度要求。三维激光扫描技术有着速度快、信息全、无接触、误差小的优点，对建筑测绘具有革命性的意义。在点云数据和影像数据的支撑下，可以在计算机中构建古建筑数字模型，将古建筑现有状况完整精确地保存到数据库中，为之后古建筑研究、保护、修缮、重建提供依据。本研究以南方某地区传统宗祠建筑数字化保护项目为依托，讨论了三维激光扫描仪在古建筑数字化重建方面的关键技术，采用人机交互式的方法对古建筑整体和精细部件的三维重建技术进行了尝试。三维激光扫描基本原理和特点地面三维激光扫描系统可以由激光扫描、激光测距、内部控制和校正系统四部分组成组成。扫描镜在设定时间下高速旋转，激光脉冲发射体发出窄束激光脉冲对测绘区域进行扫描，测量出每个激光脉冲的空间距离 和每个脉冲的激光的水平角 和天顶距，最后计算得到每个激光点也就是点云的三维空间坐标，其原理如图 所示，点云的三维坐标计算见式（）。将得到的点云数据进行配准拼接，再进行影像信息与点云信息的融合，得到能反映被测物体真实几何形态和真实纹理信息的三维模型。北京测绘第 卷 第 期xPDzoy图 三维空间坐标计算原理 Y|（）三维激光仪可以通过非接触式的主动遥感方式对物体进行点云数据收集，具有高速度、高精度、高数字化、无接触的优点。三维激光扫描仪较传统测绘，例如，全站仪测绘、无人机摄影测绘等比较，拥有以下特点：（）非接触式测绘。三维激光扫描技术采用高速激光进行非接触式扫描，无须棱镜反射，直接照射目标表面获取点云数据及其三维坐标。使其在一些危险场景人员无法到达的地方、目标脆弱不可受到外界影响的情况下，三维激光扫描技术较传统测绘的优势非常明显。（）数据收集速度快。三维激光扫描仪一分钟可扫描上亿个点数据，是全站仪、棱镜和卫星定位设备逐点测量的传统方法不可比拟的。（）全天候工作。通过主动发射激光信号，可以在昼夜进行工作。相比无人机航空摄影却难以在自然光源不佳的情况下获取到满意的数据。（）高精确度。三维激光扫描仪通过高密度点云数据的获取，在高精度的传感设备支持下可以实现对实体几何特征的高分辨率。精度可达到毫米级。（）可获取信息丰富。由于获取到的数据多，可通过后期数据的处理和分析中得到众多信息。（）三维可视化表达。可以在设备上直观看到被测物体的特征，并利用点云特征完成数字模型建立。也可以直接完成坐标、距离、面积、体积的量测。（）应用场景广。适用于多行业的需要，可在测绘、建筑、规划、考古、智慧城市等领域应用。技术路线技术路线主要分为外业数据采集、内业数据处理、三维模型重建三个步骤。三维激光扫描仪的外业数据采集流程。针对传统古建筑的结构复杂，其中又包含大量横梁、立柱、斗拱、雕花等复杂建筑构件。三维激光扫描仪的扫描视野会受到建筑物结构的遮挡影响，对数据质量和精度产生重要的影响，导致无法精确记录复杂建筑构件信息。因此，在进行外业数据采集之前，要进行精准的现场勘踏，建筑物的总体结构、复杂构件要结合工程要求，还需要考虑三维激光扫描仪的仪器特点和相应数据处理软件的要求，进行综合分析。其中一般情况下作业任务不能在一个扫描测站完成，需要选择多个位置布设测站。或是任务要求套用特定的坐标系，数据需要涉及坐标转换的问题。此时，就需要选取一定数量的公共点，这些公共点用作计算数据的坐标转换参数，以提高换算精度，可以采用靶球为公共点实物，根据实际情况也可使用靶标等平面标志。最终完成方案的设计，之后进行实地扫描作业，完成外业数据采集。内业数据的处理流程。首先对点云数据进行预处理，在进行数据采集的过程中，受周边环境的影响，会产生一些不属扫描对象之外的数据噪声，因此，需要对这些噪声进行预处理。同时，扫描作业产生了大量的数据，这些数据中存在多次扫描同一位置的情况，产生了一些数据的冗余现象，所以也需要进行点云数据精简的预处理。其次要进行点云的配准拼接，基于靶球或靶标进行公共点的匹配，完成点云配准拼接。再次，依赖控制网的布置，进行点云数据的坐标转换。最后，融合点云数据与影像数据完成点云模型的建立。三维模型重建流程，数据采集得到的点云数据是离散的点位信息，只包含了相应的空间坐标，在表达和数据的使用上受到限制。因此必须以点云数据为基础，重新建立具有真实空间和几何信息的模型，进而对建筑物平面图、立面图、剖面图的绘制，并依赖草图大师（）等三维重建软件完成古建筑的数字化重建。本文对古建筑数字化重建进行了尝试，技术路线如图 所示。第 卷 第 期陈刚，赵思佳三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中的应用图 技术路线图 应用实例本文以南方某地区祠堂为研究对象，利用天宝（）激光扫描仪对郑氏宗祠进行了三维激光扫描，再利用处理的点云数据进行三维模型的重建。数据处理使用真实工作站（）点云数据处理软件，平面图、立面图、剖面图的绘制使用 软件、三维模型重建使用 软件。外业数据采集首先提前到郑氏宗祠进行现场踏勘，收集相关资料信息，设计扫描方案，根据建筑构造来布设控制网、扫描站以及选取靶球公共点。具体步骤如下：（）控制网布设。控制网是用作控制误差、确定坐标系的。因为此项目并不需要统一某个大地坐标系，只需要相对坐标精度足够即可，所以并未进行控制网的布设。（）扫描站布设。布设过程中首先，两个扫描站之间扫描的数据要保证有足够的重叠度，否则在后期点云数据的拼接和配准中无法完成；其次，在两站之间要求可以扫描到三个相同的靶球目标，以满足后期配准拼接需要；最后要根据实际的地形灵活布设测站，不到仪器不容易架设的地方。（）靶球公共点的选取。靶球位置要满足可以同时被相邻两测站扫到，靶球与靶球之间位置不要过近，本次项目中公共靶球数量满足三个即可达到精度要求。内业数据处理对采集到的数据进行去噪、精简、基于靶球目标的配准拼接和点云影像融合处理，得到最终的点云数据，如图 所示。图 点云数据 三维模型重建在古建筑保护修复和数字化重建等工作中，都需要准确地表达建筑物的结构和细节信息。由于郑氏宗祠结构较为复杂，我们尝试将古建筑分离，依次通过基座、木柱结构、屋顶完成建模。同时参考二维平面图、立面图和剖面图将建模工作由繁到简，降低工作耗时，提高效率和精度。二维平面影像的获取，对点云数据进行定位处理可以切割出特征平面和立面的点云数据，在通过正射投影得到各个平、立、剖面的正射投影图，正射投影图如图 所示。（）正立面（）背立面（）东立面（）西立面图 正射投影图北京测绘第 卷 第 期参考正射投影图绘制二维平面图集，通过导出的正射投影图在 软件中完成平面图、立面图、剖面图的绘制，如图 所示。（）平面图（）正立面图（）背平面图（）剖面 图（）东立面图（）西立面图图 平立剖面图运用 与 软件协同完成三维模型的重建。在 中根据点云数据绘制出二维图，并同步至 中。同时，依靠 扫描浏览器进行特征点、线、面的提取同步至 中辅助建模，提高建模效率。郑氏宗祠的模型如图 所示。图 郑氏宗祠重建模型 精细构件的模型重建我国传统木构件建筑中最常见的构件斗拱，是建筑造型的重要构件，主要安装在立柱和横梁的交接处。其基本结构可以分为斗（拱与拱之间相互连接的木构件）和拱（立柱顶部添加的一层层外延出去的弓状结构）。斗与拱之间项目咬合，与积木的拼接相似。本研究尝试对郑氏宗祠中的一处复杂斗拱为对象进行模型重建，通过高精度的点云数据可以准确量得斗拱构件的几何尺寸。首先完成斗的三维建模，通过人机交互方式，精确量测斗构件的长度宽度和高度，完成斗的模型重建。其次完成拱的三维建模，拱的复杂程度相较于斗要复杂许多，是由长条状的木条构成，且两边为弯曲状。要在软件中进行多角度的投影，来完成准确的模型建立。斗和拱建立完成后，最后一步是二者的拼接，根据之间的相对高度完成斗拱的拼接，最终得到的斗拱模型。结束语本研究运用三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中应用，为古建筑的快速准确数字化存档提供了有效的技术手段，也为古建筑的维护和修缮提供了底层支撑，为传统建筑的宣传展示增添了新的方式，提升了古建筑维护和保护的效率和安全性。以南方地区某宗祠为例进行了技术探讨，分析了古建筑重建的有效技术流程以及实现方法，并尝试对古建筑的复杂构件进行模型重建。三维激光扫描仪作为新的技术手段，在古建筑的数字化保护中有着传统保护方法不可比拟的优势，一定会在中国古建筑保护与维护修缮中发挥重要的作用。但是实际应用过程中也存在激光点云数据配准时间较长、缺乏建筑物纹理信息的表达等问题。未来测站布设的优化、数据的处理效率、多源数据的融合、精细化自动建模仍是未来研究和应用的重点。参考文献 王莫三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究第 卷 第 期陈刚，赵思佳三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中的应用故宫博物院院刊，（）：，曹勇全站仪和三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用及比较广东建材，（）：李永强，刘会云，冯梅，等大型古建筑文物三维数字化保护研究 以白马寺齐云塔为例河南理工大学学报（自然科学版），（）：齐文娟利用三维激光扫描仪为古文物建立信息库测绘通报，（）：惠理军，孔立基于三维激光扫描数据的金龙塔结构研究 东华理工大学学报（自然科学版），（）：张立伟，刘鹏飞，李冠三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究北京测绘，（）：郑少开，郑书民，丁军，等三维激光扫描关键技术与实体建模现状北京测绘，（）：窦莉君，邢月论三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用东南文化，（）：，李娜，李吾伊三维激光扫描仪在古建筑检测中的应用研究江苏建筑，（）：欧波三维激光扫描技术在广西客家围屋保护工作中的应用探讨科学技术创新，（）：王宁地面三维激光扫描仪在古建筑现状测绘中的应用砖瓦，（）：姚培军，尹燕运基于三维激光扫描仪和全站仪技术的外立面测量方法岩土工程技术，（）：张剑三维激光扫描技术在隧道质量检测中的应用绿色建筑，（）：孟庆年，张洪德，胡玉祥，等三维激光扫描仪在树木参数快速获取中的应用测绘通报，（）：马华宇三维激光扫描仪在隧道工程建设中的应用公路工程，（）：，（，）：，（），：（）；（）；