三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)翼，張 鷹，陳曉娟

（福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建福州 350108）

三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應(yīng)用研究

張遠(yuǎn)翼，張 鷹，陳曉娟

（福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建福州 350108）

根據(jù)古建筑測繪的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)測繪方式的不足，在介紹三維激光掃描儀測量原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維激光掃描儀在古建筑測繪的優(yōu)勢，以福建武夷山市城村趙氏家祠為例，從古建筑數(shù)據(jù)的采集、測繪數(shù)據(jù)的處理到CAD測繪圖紙的生成研究三維激光掃描儀在古建筑測繪實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用效果。針對三維激光掃描儀測繪過程中龐大的數(shù)據(jù)量以及Cyclone軟件缺陷問題，提出了“分組處理、整合拼接”的應(yīng)對策略。

古建筑測繪；三維激光掃描儀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；Scanstation C10

建筑測繪是建筑學(xué)和城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的一門必修的實(shí)踐課。建筑測繪最合適的對象是古建筑，因?yàn)楣沤ㄖ菄液兔褡宓奈幕z產(chǎn)，它們經(jīng)歷了歷史歲月的滄桑，亟待保護(hù)。古建筑保護(hù)工作最基礎(chǔ)的一項(xiàng)任務(wù)是對保護(hù)對象進(jìn)行完整的測繪，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔，以便日后研究或者復(fù)原、重建［1］。

古建筑測繪是測繪學(xué)在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域中建筑遺產(chǎn)記錄、監(jiān)測以及保護(hù)工程實(shí)施等方面的直接應(yīng)用［2］。傳統(tǒng)的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的，最終資料是圖紙和一些文字記錄［3］，很難精確地記錄古建筑的尺寸和現(xiàn)狀信息，一些重要的現(xiàn)場信息，如屋頂梁架、斗拱、雕花等，由于位置較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以測量，容易發(fā)生遺漏和錯失，而后期補(bǔ)遺將耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力和時間等資源。對于有大量古建筑群及其構(gòu)成環(huán)境的街巷空間而言，人工測繪更加復(fù)雜，難度大，不利于對古建筑的保護(hù)與數(shù)據(jù)化管理。

三維激光掃描儀的出現(xiàn)則能夠有效地解決上述問題。三維激光掃描儀具有測量精度高、全天候、多方位和操作簡便等特點(diǎn)，在快速獲取三維數(shù)據(jù)并建立三維立體模型方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。在獲取空間數(shù)字和圖像信息方面，三維激光掃描儀為古建筑測繪提供了一種全新的手段和可能性。

1 三維激光掃描儀的測量原理

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，可全天候、快速、直接、高精度地采集大范圍區(qū)域的三維信息［4－5］。三維激光掃描儀利用三維激光掃描技術(shù)的激光測距原理，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集地記錄目標(biāo)物體的表面三維空間坐標(biāo)、反射率和紋理信息，對空間進(jìn)行真實(shí)的三維記錄。激光測距原理主要采用飛行時間測量技術(shù)，對于每個點(diǎn)P（x，y，z），掃描儀的激光器發(fā)射脈沖信號，脈沖信號到達(dá)物體表面，反射回到掃描儀，可以計(jì)算出脈沖信號的飛行時間t。由于光速c＝3.0×108m/s為已知值，因此可以計(jì)算出物體表面到三維激光掃描儀的距離S。

假設(shè)α為激光束垂直方向的夾角，β激光束水平方向的夾角，如圖1所示，則P點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)：

圖1 被測量點(diǎn)P（x，y，z）的坐標(biāo)計(jì)算

三維激光掃描儀獲取物體表面每個采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)后，得到的是點(diǎn)的集合，稱之為“點(diǎn)云”（points cloud），它的每一個像素包含的是一個距離值和一個角度值［6］。三維激光掃描儀最終獲取的是空間實(shí)體的幾何位置信息、點(diǎn)云的發(fā)射密度值以及內(nèi)置相機(jī)獲取的影像信息。這些原始數(shù)據(jù)不但能夠完整、精確地描述并記錄古建筑的現(xiàn)場信息和尺寸信息，而且還能讓用戶隨時隨地在計(jì)算機(jī)上對古建筑的細(xì)部進(jìn)行直接測量，并可調(diào)用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行古建筑CAD二維圖形精確轉(zhuǎn)換。因此，三維激光掃描儀能夠提高古建筑測繪精度、效率，節(jié)省測繪的人力、物力和時間，只要對測繪對象合理進(jìn)行布點(diǎn)定位全面掃描，就不用擔(dān)心實(shí)測遺漏和錯失問題。

2 三維激光掃描儀在古建筑測繪實(shí)踐中的應(yīng)用

本次測繪實(shí)踐以福建武夷山市城村趙氏家祠為對象。測繪儀器采用徠卡（Leica）公司生產(chǎn)的HDS系列一體化三維激光掃描儀Scanstation C10，如圖2所示。該儀器最高掃描速度可達(dá)到5萬點(diǎn)/s，模型表面掃描精度可達(dá)到2mm，最大測距能力理論值可達(dá)300m，儀器內(nèi)置500萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)，可同步獲取目標(biāo)物體的真實(shí)影像，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理提供實(shí)景圖像數(shù)據(jù)擬合處理。

圖2 三維激光掃描儀Scanstation C10

2.1 古建筑數(shù)據(jù)的采集

由于受物體遮擋、掃描盲區(qū)等影響，在采集古建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，往往需要進(jìn)行多測站、多方位掃描。首先必須確定測站和測量標(biāo)靶的數(shù)量及位置，測站的數(shù)量和位置要根據(jù)測量對象物的大小、外觀、復(fù)雜度與數(shù)據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定，測量標(biāo)靶的位置要遵循“為下一個測站服務(wù)”的原則，盡量做到“多站式兼顧”，即讓盡可能多的測站能采集到標(biāo)靶的數(shù)據(jù)，這樣有助于減少后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的誤差。本次測繪共布設(shè)測站點(diǎn)9個，測量標(biāo)靶9個。布設(shè)好測站點(diǎn)和測量標(biāo)靶后，根據(jù)被測對象的特征及其環(huán)境采光情況調(diào)整好掃描的精度和曝光度，然后采集數(shù)據(jù)。圖3所示為采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 測繪數(shù)據(jù)的處理

由于受視場角的限制以及實(shí)體間遮蔽的影響，三維激光掃描儀在一個測站無法獲得目標(biāo)實(shí)體完整的空間數(shù)據(jù)信息，需對目標(biāo)實(shí)體進(jìn)行多視角掃描，并將各視角的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中，該過程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接［7］。為計(jì)算滿足如下目標(biāo)函數(shù)的平移矢量T和旋轉(zhuǎn)變換矩陣R、T［8］：

其中pi和qi表示所需要變換的點(diǎn)云。由式（5）可以看出，核心的部分就是如何求得兩個坐標(biāo)變換參數(shù)，即平移矢量T和旋轉(zhuǎn)矩陣R。

受移動的車輛、行人以及被測對象周圍環(huán)境遮擋等影響，三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生一些模糊、不規(guī)則的點(diǎn)云，這些被稱之為噪點(diǎn)［9－12］。噪點(diǎn)的存在不僅會影響后期CAD圖形的繪制，而且會占用計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源和存儲器資源，因此必須進(jìn)行去噪點(diǎn)處理。去噪前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖4 去噪前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果對比

2.3 CAD測繪圖紙的生成

古建筑測繪的最終目的是得到準(zhǔn)確的、能夠真實(shí)客觀反映古建筑原貌的CAD圖紙，為古建筑提供系統(tǒng)、詳盡的數(shù)據(jù)存檔，為日后的修復(fù)、重建提供可靠的資料。為了優(yōu)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，在Cyclone軟件中必須對拼接后的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行統(tǒng)一處理。然后通過Cloudworx插件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到Auto－CAD中進(jìn)行切片，再利用AutoCAD的繪圖功能根據(jù)切片特征點(diǎn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。圖5所示為三維激光掃描儀在“趙氏家祠”測繪中得到的帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的門樓立面圖。隱藏點(diǎn)云，最終得到“趙氏家祠”的門樓立面圖如圖6所示。

圖5 帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的趙氏家祠門樓立面圖

以同樣的繪制方法，得到“趙氏家祠”的剖面圖和平面圖分別如圖7和圖8所示。

圖6 趙氏家祠門樓立面圖

圖7 趙氏家祠的剖面圖

圖8 趙氏家祠的平面圖

3 三維激光掃描儀在古建筑測繪應(yīng)用中的思考

本次古建筑測繪實(shí)踐，無論從精確度、完整性，還是工作效率方面，三維激光掃描技術(shù)都表現(xiàn)出傳統(tǒng)測繪所無法比擬的優(yōu)勢。但是，由于三維激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，中等分辨率掃描一個測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)量就達(dá)到1.16GB，因此在分析處理時將占用大量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源和存儲器資源。而且，目前三維激光掃描儀配套的Cyclone軟件在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，只能做到先進(jìn)行拼接后再進(jìn)行去噪處理，而去噪是一個非常繁瑣的過程，稍不細(xì)心就會誤刪有效數(shù)據(jù)。因此，為了減小計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的開銷，提高計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，針對測站較多的情況，筆者認(rèn)為可以采取“分組處理、整合拼接”的方法，即先將測站進(jìn)行分組，每一組由3～5個測站組成，每組分別拼接并去噪，然后導(dǎo)入到AutoCAD中分別繪圖，最后再運(yùn)用Auto－CAD的插入或外部調(diào)入功能，將各個組所繪好的CAD圖完好地合并到一起。“分組處理、整合拼接”策略流程如圖9所示。另外，本次測繪將以往使用的“黑白標(biāo)靶”改為“球形標(biāo)靶”，在數(shù)據(jù)拼接過程中發(fā)現(xiàn)其精度大大提高，甚至可以達(dá)到零誤差。

圖9 “分組處理、整合拼接”策略流程圖

4 結(jié)束語

三維激光掃描儀作為古建筑測繪的一種新的技術(shù)手段，必將會在古建筑測繪應(yīng)用中得到普及和推廣，并在歷史建筑保護(hù)與再生利用領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。當(dāng)然，軟件方面存在的不足，比如各種普通的特征提取與處理算法直接應(yīng)用于歷史建筑重建中還有一定距離，點(diǎn)云數(shù)據(jù)向CAD圖紙轉(zhuǎn)化的自動化程度較低，這都是目前困擾實(shí)際應(yīng)用的一個重要難題，這些將是日后應(yīng)用研究解決完善的重要方向。

（References）

［1］王炎松，謝飛.古建保護(hù)對于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的用戶需求：以古建測繪中的數(shù)據(jù)處理為例［J］.華中建筑，2008，26（4）：130－132.

［2］左光之.古建筑測繪教學(xué)的研究與探討［J］.科技信息，2010（23）：188－189.

［3］丁寧，王倩，陳明九.基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2010，25（3）：274－278.

［4］石若明，朱凌，沈濤.建筑規(guī)劃類院校的3S技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（3）：212－216.

［5］尹玉廷.地面3維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究［J］.測繪與空間地理信息，2013，36（2）：91－94.

［6］路興昌，張艷紅.基于三維激光掃描的空間地物建模［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2008，38（1）：167－171.

［7］高盼，李磊，郭廣禮.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的實(shí)體構(gòu)筑物三維建模［J］.測繪信息與工程，2011，36（4）：10－12.

［8］潘志峰.三維激光掃描技術(shù)在3DGIS數(shù)據(jù)庫建模及可視化中應(yīng)用研究［D］.西安：長安大學(xué)，2011.

［9］丁燕，張紀(jì)平，王國立.三維激光掃描技術(shù)在西藏白居寺保護(hù)中的應(yīng)用及思考［J］.古建園林技術(shù)，2010（3）：24－29.

［10］孫新磊，吉國華.三維激光掃描技術(shù)在傳統(tǒng)街區(qū)中保護(hù)中的應(yīng)用［J］.華中建筑，2009，27（7）：44－47.

［11］白成軍，吳蔥.文物建筑測繪中三維激光掃描技術(shù)的核心問題研究［J］.測繪通報，2012（1）：36－38.

［12］周立，李明，毛晨佳，等.三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測繪中的應(yīng)用［J］.文物，2011（8）：84－89.

Research on application of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping

Zhang Yuanyi，Zhang Ying，Chen Xiaojuan
（School of Architecture，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

On the basis of the characteristics of ancient architecture mapping and the deficiency of traditional survey methods，this paper introduces the measuring principle of 3Dlaser scanner at first.Then，combined with the advantages of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping，taking the“Zhao Ancestral Hall”which is an ancient building in Wuyishan City of Fujian Province as an example，this paper studies the practical application effect of 3Dlaser scanner used in ancient architecture mapping，from the collection of ancient architecture mapping data and mapping data processing to the generation of CAD drawings of surveying and mapping.Finally，aiming at the technical problems of a large number of data generated in the application process and the software defects of Cyclone，this paper puts forward a specific coping strategy which is“packet processing，integrated splice.”

ancient architecture mapping；3Dlaser scanner；point cloud data；Scanstation C10

TU198.6；TN249

B

1002－4956（2014）1－0079－04

2013－05－13 修改日期：2013－09－27

2012國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAJ14B05）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278123）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011J01303）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目資助（JA13048）

張遠(yuǎn)翼（1980—），男，廣東潮州，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)在建筑與城市規(guī)劃中的應(yīng)用

張鷹（1963—），男，福建福州，博士，教授，研究方向?yàn)楣沤ň勐浔Ｗo(hù)與再生及人居環(huán)境科學(xué).

E－mail：architecture＠fzu.edu.cn