基于三維激光掃描技術(shù)的歷史建筑建檔保護(hù)研究

王順 趙志根

摘? 要：古建筑是歷史的見(jiàn)證和文化的載體，城市建設(shè)理念上的差異以及城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，使古建筑正在遭受不同程度的破壞，古建筑建檔保護(hù)困難的問(wèn)題亟待解決。文章以浙江桐廬某歷史建筑為例，研究了采用三維激光掃描技術(shù)保護(hù)古建筑建檔的原理、方法、優(yōu)勢(shì)。通過(guò)點(diǎn)云切片，繪制平、立、剖面以及典型圖案建筑現(xiàn)狀測(cè)繪圖，為古建筑建檔保護(hù)提供一種全新的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);三維建模;建筑現(xiàn)狀測(cè)繪圖;建檔保護(hù)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）19-0001-06

Research on the Archiving and Conservation of Historical Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

WANG Shun， ZHAO Zhigen

（School of Spatial Information and Surveying and Mapping Engineering， Anhui University of Science & Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： Ancient buildings are the witness of history and the carrier of culture. The differences in urban construction concepts and the accelerating process of urban construction make ancient buildings being damaged to varying degrees. The problem of difficult archiving and conservation of ancient buildings needs to be solved urgently. Taking a historical building in Tonglu in Zhejiang Province as an example， this paper studies the principle， method and advantages of 3D laser scanning technology for the archival conservation of ancient buildings. Through point cloud slicing， the building status mapping with plane， vertical， section and typical patterns are drawn， which provides a new way and method for the archiving and conservation of ancient buildings.

Keywords： 3D laser scanning technology; 3D modeling; building status mapping; archiving and conservation

0? 引? 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及測(cè)量?jī)x器的更新?lián)Q代，測(cè)繪技術(shù)經(jīng)歷了從手工測(cè)繪到數(shù)字化、信息化測(cè)繪的轉(zhuǎn)變，未來(lái)將會(huì)朝著智能化的方向快速發(fā)展。三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，它是近些發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的局限性，具有非接觸、全自動(dòng)、高精度、高效率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。扭轉(zhuǎn)了以往在測(cè)繪古建筑基本信息過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的人力、物力，并且受天氣等外界因素影響的弊端。目前，全站儀、普通鋼尺是主要的人工測(cè)量工具，然而，三維激光掃描技術(shù)的日趨成熟，使其逐漸被廣泛應(yīng)用于城市地圖測(cè)繪、文物保護(hù)、形變量檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著數(shù)字城市和智慧城市[1]的不斷發(fā)展，二維數(shù)據(jù)因其自身的局限性而無(wú)法滿足人們的應(yīng)用需求。相對(duì)于二維模型，三維模型可以更真實(shí)地還原目標(biāo)物全貌。

三維數(shù)據(jù)具有形象性、直觀性、可視性的特點(diǎn)，這使得三維可視化建模技術(shù)的研究熱度高居不下。因此，對(duì)三維重建技術(shù)進(jìn)行深入的研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[2]。在地籍測(cè)繪領(lǐng)域，古建筑建檔[3]保護(hù)是重中之重，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維重建中最主要的數(shù)據(jù)源，為此獲取高精度的點(diǎn)云以及合理選擇處理點(diǎn)云的方法是極其重要的。為了更詳盡地向人們展示古建筑的結(jié)構(gòu)類型，繪制古建筑二維圖、三維模型圖是必不可少的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)有三維模型展示方法的基礎(chǔ)上，制作一個(gè)獨(dú)立的古建筑可視化網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)對(duì)比分析網(wǎng)頁(yè)的優(yōu)勢(shì)性，證明這種方法是極其有效的。

1? 三維激光掃描技術(shù)概況

1.1? 總體技術(shù)路線

本文以浙江桐廬某祠堂建筑測(cè)繪建檔項(xiàng)目為例，首先，通過(guò)三維激光掃描儀和相機(jī)采集獲取該建筑的原始外業(yè)數(shù)據(jù);其次，對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，后進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，主要包括多站式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與拼接、點(diǎn)云的融合與建模、點(diǎn)云切片、點(diǎn)云精度檢查等;最后，按照比例繪制平面、立面、剖面、大樣圖等二維現(xiàn)狀圖[4]，這樣能夠真實(shí)地反映出該建筑的建筑布局和特色，旨在更好地展示古建筑所承載的歷史和文化[5]。三維激光掃描技術(shù)路線圖如圖1所示。

1.2? 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)激光探測(cè)回波技術(shù)來(lái)記錄激光發(fā)射和反射接收的時(shí)間差，當(dāng)激光接收器接收到返回的激光波，并以回波的能量足以觸發(fā)閾值時(shí)，激光掃描儀計(jì)算出掃描中心與目標(biāo)物之間的距離，同時(shí)測(cè)量激光發(fā)射時(shí)每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度值A(chǔ)和縱向掃描角度值B，L代表坐標(biāo)原點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離。三維激光掃描原理圖如圖2所示，獲取三維坐標(biāo)信息后可以根據(jù)式（1）求得距離L。

2? 三維模型的建立

2.1? 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本文選用FARO FOCUS350s掃描儀，將三維激光掃描儀架設(shè)在已知的控制點(diǎn)上，確定儀器與建筑物之間無(wú)明顯的遮擋，打開(kāi)儀器電源，對(duì)中，整平。掃描建筑物本體之前須設(shè)定掃描分辨率，為了得到高精度的掃描結(jié)果，掃描分辨率設(shè)為1/5，粒子質(zhì)量設(shè)為3x。根據(jù)前期準(zhǔn)備工作中規(guī)劃好的掃描路線，逐站架設(shè)三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，直至成功獲取所有站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為止。相鄰測(cè)站間的距離宜保持在10 m左右，點(diǎn)距離之間的誤差控制在10 mm以內(nèi)，保證相鄰測(cè)站間的點(diǎn)云重疊度在30%以上。

2.2? 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云著色等。處理軟件為FARO自帶軟件scene。通過(guò)將獲取的點(diǎn)云分組成集群，采用相鄰兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的俯視圖和側(cè)視圖相匹配的方式進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，獲取單站點(diǎn)云圖如圖3所示。點(diǎn)云配準(zhǔn)是將不同視角下采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，將目標(biāo)物體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)的配準(zhǔn)，不斷調(diào)整二次抽樣參數(shù)，對(duì)配準(zhǔn)完成后的點(diǎn)云進(jìn)行調(diào)整，直至消除分層。配準(zhǔn)完成后的三維點(diǎn)云圖如圖4所示。

2.3? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)質(zhì)量檢查

2.3.1? 精度報(bào)告分析

配準(zhǔn)后的質(zhì)量檢查是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的重要過(guò)程。使用SCENE軟件不斷更換迭代次數(shù)，獲取不同的精度報(bào)告，數(shù)據(jù)處理前設(shè)定某一站為參考掃描，在精度報(bào)告中，得到各掃描站位的最大點(diǎn)錯(cuò)誤、中點(diǎn)錯(cuò)誤，即為各掃描站位與起始參考掃描的偏移值。各掃描點(diǎn)配準(zhǔn)后點(diǎn)云精度如表1所示。

根據(jù)《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)流程》要求，點(diǎn)云經(jīng)度及技術(shù)指標(biāo)都應(yīng)該遵循一等作業(yè)要求。由點(diǎn)云精度報(bào)告統(tǒng)計(jì)各掃描點(diǎn)，得到該建筑最大點(diǎn)錯(cuò)誤為4.1 mm，最大點(diǎn)錯(cuò)誤圖如圖5所示。中點(diǎn)錯(cuò)誤為1.7 mm，中點(diǎn)錯(cuò)誤圖如圖6所示。最小重疊度為29%，控制整體點(diǎn)云測(cè)量精度在10 mm以內(nèi)，點(diǎn)云中誤差在1.5 cm以內(nèi)，以上測(cè)量計(jì)算結(jié)果均滿足掃描精度和規(guī)范的要求，表示掃描方法及處理結(jié)果均符合要求[6]。傳統(tǒng)全站儀應(yīng)用免棱鏡測(cè)量精度約為3～5 cm，無(wú)人機(jī)測(cè)量精度約為5～10 cm，由此可見(jiàn)，三維激光掃描可以替代全站儀和無(wú)人機(jī)作業(yè)，其在數(shù)據(jù)獲取精度、數(shù)據(jù)采集效率上具有很大的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于更多的建筑立面采集和繪制工作中。

2.3.2? 總覽圖分析

點(diǎn)云配準(zhǔn)很容易受對(duì)稱、類似房間的影響，為了防止建筑物配準(zhǔn)后發(fā)生錯(cuò)層偏差、結(jié)構(gòu)偏移，則需要檢查建筑總覽圖。配準(zhǔn)后點(diǎn)云總覽圖如圖7所示。

圖7中的各個(gè)圓點(diǎn)代表儀器架站位置，對(duì)比檢查沒(méi)有錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)后建筑總覽圖沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)層、離析現(xiàn)象，建筑外墻和內(nèi)墻均沒(méi)有出現(xiàn)彎曲、界限分明，建筑輪廓清晰，結(jié)果表明配準(zhǔn)精度較高。

3? 繪制建筑現(xiàn)狀測(cè)繪圖及典型圖案

3.1? 點(diǎn)云切片

使用SCENE軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片。點(diǎn)云切片是為了更好地觀察歷史建筑的內(nèi)部布局和結(jié)構(gòu)，便于計(jì)算機(jī)軟件平面圖、立面圖的繪制。建筑圖一般是按照正投影的方式進(jìn)行繪制，所以切片時(shí)要保證處于水平、垂直方向。切片位置以最能反映房間布局為宜，基準(zhǔn)面選取較為平整的地面，作為切片的參考平面。點(diǎn)云切片圖如圖8所示。

3.2? 繪制平、立、剖面及梁枋現(xiàn)狀測(cè)繪圖

本次繪制建筑測(cè)繪圖所使用的軟件為AutoCAD 2020，基于所獲取的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，通過(guò)該軟件可以得到建筑的結(jié)構(gòu)、做法、平面形狀和大小、門窗具體位置和尺寸等。通過(guò)配準(zhǔn)后的位置信息可以使得該建筑平整、對(duì)稱，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量可以確保測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。繪制出對(duì)應(yīng)建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖等，可為古建筑后期的修繕和保護(hù)工作提供便利。繪制圖形時(shí)，先確定定位軸線，基于定位軸線繪制梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，再繪制門窗、洞口、屋面等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以完整表達(dá)建筑的結(jié)構(gòu)和布局。平面現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖9所示。

繪制要求：標(biāo)高及標(biāo)注局部尺寸，標(biāo)示門窗的形狀、位置及開(kāi)啟方向;標(biāo)示窗臺(tái)、雨篷、陽(yáng)臺(tái)、臺(tái)階、外墻面勒腳等的形狀和位置;注明各部分的材料以及外部裝飾的做法等。選取建筑內(nèi)部層高、層數(shù)不同、內(nèi)外空間比較復(fù)雜的部位繪制剖面圖。軸立面現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖10所示。

該建筑屋頂呈兩坡硬山頂形式，屋脊位于正中，起坡和緩，平面為矩形。建筑外墻均采用小青瓦鋪貼，前廳山墻設(shè)觀音兜封火墻，正廳山墻設(shè)馬頭墻，均采用小青瓦墻帽，正面為小青瓦疊脊，屋面保存良好。屋頂現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖11所示。

繪制要求：對(duì)局部尺寸進(jìn)行標(biāo)高，如窗、洞口高度、室內(nèi)外高差、女兒墻高度、總高度;內(nèi)部尺寸：地坑（溝）深度、隔斷、內(nèi)窗、洞口。1-1剖面現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖12所示。

3.3? 梁枋現(xiàn)狀測(cè)繪圖繪制

繪制要求：應(yīng)著重繪制可展現(xiàn)建筑歷史和地方特色的構(gòu)造、裝飾、材料，并采用文字標(biāo)注。梁枋現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖13所示。

3.4? 針對(duì)典型圖案繪制

雕刻紋飾是古建筑中不可或缺的一部分，它賦予建筑造型以生動(dòng)的形象，并融于整體建筑之中。在古建筑群中，最具特色的要數(shù)房屋上的一些雕刻圖案，這些圖案最具象征意義。繪制要求：體現(xiàn)古建筑結(jié)構(gòu)特色和建筑風(fēng)格，須畫出部分典型圖案。牛腿現(xiàn)狀測(cè)繪圖如圖14所示。

4? 建檔保護(hù)

4.1? 建檔保護(hù)的規(guī)范要求

下面介紹建檔圖紙的繪制要求：

（1）每處古建筑都應(yīng)該細(xì)分到每個(gè)村，將每個(gè)村依次再劃為一個(gè)整體，由小及大。所有建筑的文件格式為“具體地址-歷史建筑編號(hào)-歷史建筑名稱-成果完成具體時(shí)間”，建筑編號(hào)和名稱應(yīng)與國(guó)家歷史建筑名錄保持一致。

（2）建筑測(cè)繪圖紙的繪制應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。每處建筑的平面圖、立面圖、剖面圖、大樣圖等都應(yīng)該放置在同一個(gè)文件夾中，圖紙命名和編號(hào)應(yīng)與國(guó)家歷史建筑名錄保持一致。圖紙應(yīng)按順序編號(hào)，并嚴(yán)格按照要求的比例繪制圖形。

4.2? 建檔保護(hù)的成果

下面給出了建檔成果保護(hù)要求：

（1）按照《歷史建筑檔案表》的統(tǒng)一要求進(jìn)行文物檔案的整理工作，應(yīng)形成“一棟一冊(cè)”的建筑保護(hù)圖則，同一地區(qū)建筑要登記入籍，就地保護(hù)[7-10]。

（2）制作圖則時(shí)內(nèi)容包括測(cè)繪報(bào)告、測(cè)繪照片、測(cè)繪圖紙。測(cè)繪報(bào)告中包括目標(biāo)概況、歷史沿革、現(xiàn)狀調(diào)查、歷史建筑概況記錄表;測(cè)繪照片包括三維激光掃描、相機(jī)拍攝、傾斜攝影、牛腿及梁枋細(xì)部構(gòu)造等照片;測(cè)繪圖紙包括平面、立面、剖面、大樣圖等現(xiàn)狀測(cè)繪圖，同時(shí)圖簽中應(yīng)包含建筑名稱、項(xiàng)目名稱、測(cè)繪單位、項(xiàng)目編號(hào)、審定、審核、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、測(cè)量人員、繪圖人員、校對(duì)、圖名、圖號(hào)、日期，以及相關(guān)的文字說(shuō)明[11，12]。

5? 結(jié)? 論

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)際案例，在古建筑建檔保護(hù)中結(jié)合當(dāng)下高速發(fā)展的三維激光掃描技術(shù)，基于其非接觸、高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)，使三維建模技術(shù)完全克服了傳統(tǒng)測(cè)繪中周期長(zhǎng)、成本高、真實(shí)性差等缺陷。通過(guò)三維激光掃描儀獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一系列處理后，可快速模擬出建筑的三維模型，從而繪制出二維測(cè)繪現(xiàn)狀圖。這與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)相比，極大地提高了工作人員的工作效率和測(cè)量精度，并且因其具有非接觸的優(yōu)勢(shì)，從而避免了對(duì)歷史建筑的二次損害。

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作者簡(jiǎn)介：王順（1995.07—），男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生在讀，研究方向：攝影測(cè)量與遙感技術(shù);趙志根（1968.08—），男，漢族，浙江金華人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向：煤地質(zhì)學(xué)、煤礦地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)與防治等方面的教學(xué)與研究。