三維激光掃描在文物建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

■郇小龍 ■上海市建工設(shè)計(jì)研究院，上海 200000

目前，在測(cè)繪領(lǐng)域，相關(guān)的技術(shù)在不斷發(fā)展，三維激光掃描作為全新的測(cè)量技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，它創(chuàng)新了文物建筑測(cè)繪的方法，借助高速激光測(cè)量，對(duì)物體的三維信息實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、快速與大量的獲取，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了相應(yīng)的三維模型，此項(xiàng)技術(shù)符合文物建筑測(cè)繪的要求，促進(jìn)了文物建筑保護(hù)工作的有效開(kāi)展，為其提供了可靠的技術(shù)支持，因此，在文物建筑測(cè)繪中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)有著積極的意義。

1 文物建筑測(cè)繪的概況

1.1 概念

中國(guó)有著悠久的營(yíng)造活動(dòng)歷史，在建筑物中凝結(jié)著古代人民的智慧，文物建筑有著精美的外形與堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，但受自然與人為因素的影響，部分建筑物未能得到保存。時(shí)至今日，保留下來(lái)的文物建筑是重要的，它彰顯著歷史的風(fēng)貌，體現(xiàn)著古人的智慧，因此，要注重對(duì)文物建筑的保護(hù)。

文物建筑測(cè)繪主要是利用測(cè)繪學(xué)對(duì)文物建筑進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)繪，為文物建筑成立了記錄檔案，此檔案是文物建筑維護(hù)、保護(hù)、評(píng)估與教育宣傳的重要依據(jù)。

文物建筑測(cè)繪有著自身的特點(diǎn)，其一，非接觸測(cè)繪。文物建筑十分珍貴與稀奇，在測(cè)繪過(guò)程中，要減少對(duì)其破壞，因此，應(yīng)注重?zé)o損測(cè)繪。其二，高精度。文物建筑有著精美的做工與復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)其紋理具有多樣性，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全部信息的呈現(xiàn)，對(duì)測(cè)繪精度有著較高的要求。其三，較大的難度。文物建筑測(cè)繪的記錄難度較大，主要是由于建筑物的花飾較為復(fù)雜，建筑物擁有一定的高度與寬度，測(cè)繪的工程量相對(duì)較大。

1.2 類型

文物建筑測(cè)繪主要分為兩類，一類為精密測(cè)繪，另一類為法式測(cè)繪。前者主要是為了實(shí)現(xiàn)文物建筑的遷建與維修，它對(duì)精度有著較高的要求，在測(cè)繪過(guò)程中，需要大量的花費(fèi)，如:人力、物力與時(shí)間等;后者主要是為了構(gòu)建文物建筑的記錄檔案，它具有一定的簡(jiǎn)便性，能夠?qū)ㄖ锏恼w情況實(shí)現(xiàn)全面的記錄，其占用的資源相對(duì)較少，但此方法缺少準(zhǔn)確性，不利于科學(xué)記錄檔案的建立。

1.3 方法

文物建筑測(cè)繪屬于基礎(chǔ)性工作，它為建筑物的研究與記錄提供了數(shù)據(jù)支持，測(cè)繪方法要具有一定的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與合理性，在此基礎(chǔ)上，文物建筑測(cè)繪工作才能夠具有高效性與精準(zhǔn)性，同時(shí)，測(cè)繪記錄資料才能夠擁有完整性與詳細(xì)性。文物建筑測(cè)繪的方法眾多，主要的方法有四種。第一種，傳統(tǒng)的手測(cè)。手測(cè)方式借助了簡(jiǎn)單的工具，如:水平尺與鋼尺等，對(duì)建筑物的尺寸大小進(jìn)行了測(cè)量，此方法雖然具有便捷性與可操作性，但缺少科學(xué)性與準(zhǔn)確性。第二種，全站儀測(cè)量。此方法作為單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量，其工作量較大，具有一定的精度。第三種，近景攝影測(cè)量。此方法對(duì)建筑物的大小與形狀實(shí)現(xiàn)了測(cè)量，屬于非接觸性測(cè)量。第四種，三維激光掃描。該方法作為新型的測(cè)量技術(shù)，為復(fù)雜建筑物構(gòu)建了三維數(shù)據(jù)模型，它結(jié)合了機(jī)、光與電等技術(shù)，并且整合了傳感工藝，它有效利用了高科技手段，使其具有高精度、現(xiàn)代化與先進(jìn)性等特點(diǎn)［1］。

2 三維激光掃描的概況

2.1 工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成主要有掃描儀、控制器與電源供應(yīng)系統(tǒng)等，具體的組成部分有接收器、激光發(fā)射器、時(shí)間計(jì)算器、同軸相機(jī)、電腦與相關(guān)軟件等。

三維激光掃描的工作原理為:三維激光掃描儀擁有掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)與內(nèi)部控制、校正系統(tǒng)等，在儀器內(nèi)，激光脈沖發(fā)射體將發(fā)射出脈沖信號(hào)，再兩個(gè)發(fā)射鏡的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的快速掃描，此后，被測(cè)物體的反射將由接收器接收，此時(shí)接收器主要是記錄激光脈沖的發(fā)射及其接收的時(shí)間差，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體的空間距離也將進(jìn)行計(jì)算?？刂颇K將對(duì)脈沖的水平角與天頂距進(jìn)行記錄，并結(jié)合空間極坐標(biāo)原理，對(duì)掃描的激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 技術(shù)路線

對(duì)于文物建筑而言，其內(nèi)部梁架露明，并且被嚴(yán)重的遮擋，在此情況下，不利于文物建筑測(cè)繪工作的開(kāi)展，影響著建筑物平、立與剖面圖的繪制。因此，在對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采集前，要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，并布設(shè)高密度與高精度的控制網(wǎng)，再結(jié)合掃描設(shè)備的特點(diǎn)及掃描對(duì)象的材質(zhì)、色彩等屬性，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展相應(yīng)的掃描測(cè)繪工作［2］。

對(duì)點(diǎn)云圖進(jìn)行處理后，需要校核現(xiàn)場(chǎng)，如果發(fā)現(xiàn)掃描的遺漏位置，要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)掃，對(duì)于掃描死角部分，要選用手工補(bǔ)測(cè)的方法。點(diǎn)云圖的識(shí)別能力相對(duì)較差，可以在現(xiàn)場(chǎng)勾繪建筑構(gòu)件的分塊圖，以此掌握建筑紋理。

3 三維激光掃描在文物建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

3.1 工作的流程

(1)工作計(jì)劃的制定。工作計(jì)劃制定的主要依據(jù)為文物建筑的環(huán)境條件，如果條件需要?jiǎng)t要借助相關(guān)的輔助設(shè)施與工序。同時(shí)，要對(duì)掃描距離與掃描分辨率進(jìn)行確定，其依據(jù)為掃描精度需求及儀器的工作范圍;還要對(duì)掃描站數(shù)與掃描路線進(jìn)行確定，其依據(jù)為掃描站間的重疊程度與設(shè)站的合理性;最后，對(duì)于測(cè)繪工作的時(shí)間安排依據(jù)為天氣、工作環(huán)境與任務(wù)量等［3］。(2)數(shù)據(jù)的采集與處理。此環(huán)節(jié)分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，前者主要包括控制點(diǎn)的布設(shè)、測(cè)量與三維全景掃描?？刂泣c(diǎn)的布設(shè)是重要的，它直接關(guān)系著后續(xù)的掃描工作，影像著掃描的質(zhì)量。在布設(shè)后，要測(cè)量平面與高程，為了保證測(cè)量的精度，對(duì)掃描精度有著較高的要求。在坐標(biāo)信息獲取后，要將三維激光掃描儀架設(shè)在控制點(diǎn)上，分別進(jìn)行粗掃描與細(xì)掃描。后者主要包括對(duì)非連接項(xiàng)的去除、降噪、采樣抽稀，拼接，構(gòu)建模型與提取信息等。

3.2 存在的誤差

關(guān)于文物建筑測(cè)繪而言，其中存在的測(cè)繪誤差是由眾多因素造成的，主要的誤差類型如下:其一，在控制測(cè)量方面?？刂凭W(wǎng)的精度直接影響著地理坐標(biāo)的精度，同時(shí)，控制測(cè)量的精度受儀器、觀測(cè)方法與后續(xù)平差處理的影響。其二，在掃描儀方面。儀器自身存在的缺陷，在脈沖信號(hào)發(fā)射與處理等環(huán)節(jié)均可能出現(xiàn)誤差。其三，在數(shù)據(jù)處理方面。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)于數(shù)據(jù)的刪除與模型的構(gòu)建中可能出現(xiàn)誤差［4］。

3.3 存在的不足

在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中，存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾方面:首先，缺少的數(shù)據(jù)。三維激光掃描中運(yùn)用的激光脈沖缺少穿透力，對(duì)于復(fù)雜、重疊的建筑物而言，其采集的信息僅為表面部分，此時(shí)遮擋部分的數(shù)據(jù)存在較為嚴(yán)重的缺失現(xiàn)象。同時(shí)，信號(hào)在傳播、接收過(guò)程中，受諸多因素的影響，此時(shí)部分信息難以實(shí)現(xiàn)記錄。為了對(duì)此情況實(shí)現(xiàn)補(bǔ)救，采用了補(bǔ)洞的手段，但此時(shí)的數(shù)據(jù)是通過(guò)填充實(shí)現(xiàn)的，缺少真實(shí)性與準(zhǔn)確性。其次，欠缺的信息。三維激光掃描儀主要是對(duì)文物建筑的大小、形狀與位置等三維空間信息進(jìn)行獲取，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)其彩色圖案與紋理信息的獲取。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)色彩與紋理的獲取，借助了相機(jī)，但此時(shí)的信息缺少完整性與清晰度。再次，缺乏的軟件。當(dāng)前，關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理軟件主要為RapidFom，Imageware，此類軟件擁有一定的點(diǎn)云處理能力，但主要用于機(jī)械制造中，而文物建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理缺少專業(yè)的軟件支持［5］。最后，受限的推廣。三維激光掃描儀主要來(lái)自國(guó)外，其價(jià)格偏高，對(duì)于一般的文化保護(hù)單位來(lái)說(shuō)難以承擔(dān)，因此，制約著此測(cè)繪方法的推廣。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)日益豐富，其中三維激光掃描技術(shù)對(duì)于文物建筑的測(cè)繪而言是重要的，該技術(shù)有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，如:快速、精準(zhǔn)與無(wú)接觸等。通過(guò)本文的研究，三維激光掃描技術(shù)的作用將得到最大限度的發(fā)揮，文物建筑測(cè)繪工作將更加高效、準(zhǔn)確與科學(xué)。

［1］王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用［D］.中南大學(xué)，2010.

［2］白成軍，王其亨.三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.文物，2013，10(03).

［3］白成軍，吳蔥，張龍.全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測(cè)繪中的應(yīng)用［N］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2013，11(05).

［4］湯羽揚(yáng)，杜博怡，丁延輝.三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討［N］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10(04).

［5］曹勇.三維激光掃描在開(kāi)平碉樓建筑測(cè)繪中的應(yīng)用［J］.門窗，2015，12(01).