长测程地面三维激光扫描仪在古建筑物特征信息提取中的应用研究.pdf

146http:/电 力 勘 测 设 计增刊1度、最大限度保护古建筑，通过现代科学技术来还原古建筑的原始面貌，成为了当下重要的研究课题。古建筑的保护、修缮和重建需要有完整的建筑资料档案，古建筑测绘是古建筑记录的方式之一。传统的古建筑测绘方法主要以直尺、角尺和垂球等测量工具直接量取建筑物及其构DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.026长测程地面三维激光扫描仪在古建筑物特征信息提取中的应用研究谭建伟，程铁洪，万 伟，彭卫平(中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌330096)摘要：针对传统古建筑测量方式存在的效率低、精度差以及无法可视化等问题，将长测程三维激光扫描仪应用于古建筑测绘工作中，同时获取古建筑物表面海量的三维坐标数据、材质信息和纹理信息，作业时无需接触古建筑实体表面，能够有效保护作业人员以及古建筑本身结构的安全，避免古建筑本体二次损害，为古建筑的底图存档、改造修缮提供全方位立体式测量模式。关键词：三维激光扫描技术；古建筑测绘；长测程地面三维激光扫描仪中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-146-06Application of Long Range Terrestrial 3D Laser Scanner in Extracting Feature Information of Ancient BuildingsTAN Jianwei,CHENG Tiehong,WAN Wei,PENG Weiping(PowerChina Jiangxi Electric Power Engineering Co.,Ltd.,Nanchang 330096,China)Abstract:Aiming at the problems of low efficiency,poor accuracy and inability to visualize in the traditional measurement methods of ancient buildings.In this paper,long-range 3D laser scanner is applied to the surveying and mapping of ancient buildings.It can simultaneously obtain massive 3D coordinate data,material information and texture information on the surface of ancient buildings.There is no need to touch the solid surface of ancient buildings during operation,which can effectively protect the safety of operators and the structure of ancient buildings and avoid secondary damage of ancient buildings.It provides a comprehensive three-dimensional measurement mode for the archiving,renovation and repair of the base map of ancient buildings.Keywords:3D laser scanning technology;ancient building surveying and mapping;long range terrestrial 3D laser scanner*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：谭建伟(1994)，男，硕士，工程师，主要从事激光雷达数据处理与应用研究等工作。0引言中华民族在五千多年的历史长河中，创造了灿烂辉煌的古代文明。中国的古建筑凝聚着我国古代各阶层人民的智慧和才干，是我国古代劳动人民的伟大创造，也是我国古文化的标志和象征1。随着岁月的洗礼，遗留古建筑的数量以及完整度正逐年下降，如何以最快的速147长测程地面三维激光扫描仪在古建筑物特征信息提取中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 件的尺寸，并现场绘制二维平面图纸草图。这种方法不仅耗时费力，且对现场作业人员经验要求较高，同时对于部分古建筑年久失修存在塌方隐患，作业人员无法抵近测量而造成测量精度较低。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，是继 GPS 技术之后的又一项测绘技术革新，具有快速性、效率高、零接触性、高密度、高精度、自动化和实景复制等特点，已成为空间数据获取的重要技术手段2。早期武汉大学李必军3等从三维激光点云数据中提取建筑物的外轮廓线性特征，并进行历史建筑三维重建。李俊宝和张维强4-5等对地面三维激光扫描技术在古建筑物测绘和建模中的应用进行了系统梳理。1三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用总体思路是凭借地面三维激光扫描仪的全方位、高精度、非接触性等优势快速获取古建筑的完整点云数据，实现古建筑的三维实景复制；对于古建筑屋顶等地面难以观测到的区域，辅以无人机倾斜摄影测量技术或利用长测程地面三维激光扫描仪的距离优势，在较远的古建筑屋顶进行目标屋顶点云补扫，从而最大限度保证古建筑成果图纸的完整性和可靠性。古建筑测绘总体流程如图 1 所示。?DOM?DEM?DLG?RTK?(GPS)图1古建筑测绘总体流程图1.1 现场踏勘了解测区古建筑的主体结构以及地形地貌情况，确定扫描范围，合理制定详细的控制测量方案、扫描测站架设方案以及标靶布设方案等，合理的现场踏勘能有效提升后期扫描作业效率。1.2 控制测量利用 GPS RTK 导航定位系统结合全站仪测148http:/电 力 勘 测 设 计增刊1量手段，建立测区的基础平面和高程控制，为后续点云数据采集提供测量基准和标靶点位坐标。标靶采用特制的黑白平面靶标(进行过精确的归心处理)，标靶均匀布设在测区内，布设位置不应处于同一个平面且具有一定的高差，保持通视条件，同时应充分考虑下一测站的位置，相邻测站之间应至少保证 3 个公共标靶。在需要测量标靶三维坐标时，应在同一控制点上观测两测回，或在不同控制点上施测 2 次，平面、高程较差应不大于 2 cm，取平均值作为最终成果。平面采用 2 000 国家大地坐标系，高程采用 1985 国家高程基准。1.3 三维激光扫描作业合理的测站布设规划是提高扫描效率的重要一环。测站布设的原则是在满足布设的测站点能辐射到整个测区范围的前提下，尽可能减少测站数。为提高外业扫描效率和精度，需充分考虑仪器特性以及扫描仪测量误差来源，并需注意如下几点：1)每次扫描作业时分工明确，一人操作三维激光扫描仪进行扫描作业，并记录该测站位置等必要信息，从而减少后期需要不断查看点云数据来判断具体位置的时间。另一人布设标靶球并提前确定下一测站扫描仪的架站位置，减少人员搬站时间和劳动强度。2)在有架站空间条件下，入射角范围需保持在 55 以内，从而有效减少因入射角过大所带来的测量误差，对于不同高度的建筑物需采取不同的梯度来调整三维激光扫描仪的架设高度和角度，尽可能一个测站扫描到古建筑当前视角范围的全部信息，避免频繁搬站和调节云台扫描角度，减少因点云拼接所带来的测量误差。3)地面三维激光扫描仪的水平和垂直扫描视场范围分别为 360 和 100。其最大有效测程可达 800 m，长测程三维激光扫描仪能轻松应对架站条件约束，对于相对孤立且主体高度尺寸较大的古建筑物，近距离扫描无法完整获取建筑立面和屋顶信息时，在可视范围内可远近自由选择架站位置，必要时可寻找较远的古建筑屋顶或山坡进行架站扫描，从而最大限度获取古建筑本体完整的点云信息。4)当前测站扫描完成后，及时通过扫描仪高清预览窗口查看点云扫描效果，检查是否有漏测及遮挡现象，对于漏测或遮挡部位要及时予以补测。同时利用扫描仪顶部搭载的高分辨率数码相机以及手持相机对扫描区域进行自动和手动组合拍照，获取古建筑主体结构和清晰的纹理信息，为后期平面图、立面图、剖面图和大样图绘制提供参考依据。2内业点云数据处理2.1 点云数据预处理古建筑本体的规模大小不一，单站扫描作业无法获取古建筑实体所有的空间数据信息，为获取古建筑完整的点云模型需要将数十测站甚至数百测站的点云数据进行拼接处理，室内外点云数据应拼接为一个完整的点云模型，不应存在肉眼可见的分层现象。常用的点云拼接方法有基于标靶的拼接、基于公共点的拼接以及基于控制点的拼接等6-7。基于标靶的拼接要求，相邻测站之间至少有 3 个公共标靶，且不能布设在同一条直线上。当相邻两侧站之间没有公共标靶可以利用，则需要采取基于公共点的拼接方式，一般选择古建筑表面具有明显拐角的特征点云(如门窗角点)作为公共点。根据实际工作经验总结，基于标靶和公共点的混合拼接方式拼接效率和精度最高，适用于各类型的古建筑测绘。同时，在建筑前存在树、垃圾桶等遮挡物，扫描仪获取的点云数据中含有大量的噪声点云，在预处理步骤中将这些噪声点云进行滤波去噪。2.2 点云分割与平面投影因古建筑扫描精度通常要求较高，点云数据量特别大，直接从三维点云模型中提取特征点进行立面绘制，不仅对电脑性能要求较高，且很难提取特征点的精确位置，这需要内业数据处理人员具有一定的耐心和较强的空间几何关系概念。通过将三维点云模型进行投影变换到平面坐标系，利用专业绘图软件的自定义坐标系功能将建筑的水平方向定义为 X 轴，竖直方向定义为 Y 轴，从而在平面点云数据上描绘古建筑149长测程地面三维激光扫描仪在古建筑物特征信息提取中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 本体轮廓线，这种方法不仅提高了绘图效率，还减少了三维立体点云中冗余点云的干扰，能够显著提高内业制图的准确性和效率。2.3 基于三维点云模型的古建筑制图古建筑测绘的总体要求应遵循“从整体到局部，先控制后细部”的测量原则，在三维点云模型的基础上实现古建筑的平面图、立面图以及剖面图的绘制，结合数码相片可绘制大样图，全面准确地反映古建筑的现状，确保测绘数据的真实性，准确表达古建筑的比例、结构和做法8。古建筑测绘成果主要包含以下几个方面：1)总平面图：古建筑的总平面图测绘是对非单体的古建筑群而言的，测绘的内容包括古建筑轮廓、周边建筑、院墙、道路、广场、水域、古树、古井以及地形地貌等，显示出每个建筑物之间的相对位置和距离，完整覆盖历史环境要素。2)平面现状图：包含各层平面、屋顶平面和仰视平面；绘制室内结构构件和非结构构件，完整表达空间布局；反映周边环境、出入口、围墙、院落、天井、门窗、洞口古树、古井等要素；绘制室内材质及体现历史风貌的室外地面材料；绘制典型或具有重要历史、艺术价值的室内布置，平面图成果样例如图 2 所示。图2平面图绘制3)可视立面图和剖面图：立面图测绘主要测量主体结构的尺寸，表达外立面整体轮廓、构件轮廓和细节材质，例如屋面高度、宽度、柱子直径、斗拱高度、屋顶瓦面和墙面材质等。剖面图测绘要求全面表达建筑的空间结构关系，表达典型或具有重要历史、艺术价值的室内布置，完整绘制和标准剖面材质做法，立面和剖面图成果样例如图 3 所示。(a)立面图 (b)剖面图 图3立面和剖面图绘制4)大样图：着重绘制体现历史风貌和地方特色的构造、装饰和材料，采用文字标注。大样图主要包括了各种砖雕、脊饰、门廊和梁架的斗拱等部分的细节大样，大样图成果样例如图 4 所示。(a)斗拱 150http:/电 力 勘 测 设 计增刊1(b)门环图4大样图绘制2.4 实测精度对比分析为验证长测程地面三维激光扫描仪在古建筑扫描测量里的可靠性，本文以江西省九江市某历史建筑作为验证对象，利用卷尺工具随机对部分重要构件的尺寸进行现场实地测量，如地基高度、窗沿厚度、门的长宽高等尺寸信息，有助于验证三维激光扫描仪在古建筑测绘应用中的精确性，辅助规范内业制图尺寸，避免因历史建筑形变造成的绘图尺寸大小不一等问题。经随机抽检 10 处重要构件的尺寸信息，受限于卷尺毫米读数需要估读，三维激光扫描测量的古建筑构件信息尺寸与现场利用卷尺测量在厘米级精度上完全一致，三维激光扫描点云数据可以提取出古建筑毫米级的特征信息，现场实地随机抽检验证精度情况如图 5 所示。图5重要构件尺寸信息实地验证3古建筑扫描技术难点及问题处理现存古建筑多为名居类型，且年代较为较远，故而或多或少存在房屋老旧、室内空间狭小、室内杂物堆积以及楼梯损毁等情况，均会对古建筑本体扫描的完整性和精确性产生一定影响。部分老旧建筑空间受限，室内杂物较多，此时扫描仪架设存在困难，甚至有地方存在无法架站情况。同时，有些名居没有楼梯，仅能通过简易的一字楼梯进行攀爬，这给扫描作业带来了巨大困难，若建筑一层和二层单独扫描，而中间缺乏公共部分点云衔接的话，将带来点云分层，甚至无法整体拼接等问题，如何保证一、二层点云的无缝衔接成为了古建筑扫描的重点和难点问题。采用的解决措施：1)在面对空间狭窄情况扫描作业时，通常首先需要将杂物进行清理，尽可能扩大底部架站空间；其次空间狭窄时扫描的点云特征不那么明显，与前面的扫描测站公共部分较少，无法找到明显的特征点进行拼接，此时就需要灵活运用标靶。在进入狭窄空间扫描作业前，提前规划好标靶的摆放位置，利用标靶作为特征点来进行拼接，这样就无需考虑公共部分点云的多少，仅需找好扫描仪架设位置即可，能有效保证点云拼接的精度。2)一栋古建筑的扫描测站数量通常能达到数百站，首先要做到的就是将这些不同位置的测站点云进行拼接，这要求在扫描过程中测站与测站之间要保证足够的重叠度，在实际扫描作业时，大厅等视野开阔测站重叠度能够有效保证，然而在内部房屋的测站点云容易出现分层，这就需要在扫描时格外注意架站的位置，总结以往的实际扫描经验，在进入房屋内部扫描时，其门槛处一定要架设一个测站，即“逢门必架站”。在面对房屋一、二层无楼梯衔接情况时，同样需要利用到标靶予以辅助拼接，并提前确定好标靶摆放的位置，以确保在建筑一层上楼的前一测站以及上楼后二层的第一测站能够同时扫描到同一个标靶，通常将标靶插入磁吸底座放置在楼梯口边缘处，标靶略微转动向下倾斜一定的角度，从而有效保证多个测站都能清晰扫描到该标靶的中心。当遇到古建筑的楼道狭窄时，楼梯中间的连接测站至关重要，必须按部就班一步步往上扫描，从而保证足够的重叠度，实现点云的无缝衔接。151长测程地面三维激光扫描仪在古建筑物特征信息提取中的应用研究http:/ 工程勘测 增刊1 4结语地面三维激光扫描仪的出现改变传统测量方式，是测量技术的又一次革新。在古建筑测绘中应用长测程三维激光扫描仪，凭借无接触性的特点最大限度减少测量作业时对古建筑本体的损害，极大地提高了测绘的效率和精度，实现了古建筑的数字化存档。同时，长测程地面三维激光扫描仪在远距离岩体壁画古建筑的扫描和建模工作中优势更为突出。参考文献1 杨永.古建筑数字化保护关键技术研究D.开封：河南大学，2010.2 索俊锋，刘勇，蒋志勇，等.基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模J.测绘科学，2017，42(3)：179-185.3 李必军，方志祥，任娟.从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究J.武汉大学学报，2003，28(1)：65-70.4 李俊宝.TLS在古建筑物测绘及建模中的应用研 究D.西安：长安大学，2015.5 张维强.地面三维激光扫描技术及其在古建筑测绘中的应用研究D.西安：长安大学，2014.6 陈良良，隋立春，蒋涛，等.地面三维激光扫描数据配准方法J.测绘通报，2014(5)：80-82.7 徐辛超，徐爱功，于丹.地面三维激光扫描点云拼接影响因素分析J.测绘通报，2017(2)：14-18.8 王莫.三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究J.故宫博物院院刊，2011(6)：143-156.(编辑 卢靖冉)