三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪繪圖中應(yīng)用＊

周美川

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，我國越來越重視對(duì)古建筑保護(hù)和傳承。每一座古建筑都是藝術(shù)珍品，古建筑一般有臺(tái)基、木頭圓柱、梁、斗拱、彩畫、屋頂、山墻、藻井等構(gòu)件組成。古建筑的修復(fù)、保護(hù)和傳承的最基礎(chǔ)工作就是對(duì)既有古建筑的測(cè)繪。傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪，使用鋼尺、測(cè)距儀、水準(zhǔn)儀等工具進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)繪制草圖，然后根據(jù)草圖，使用CAD 繪制建筑圖。由于古建筑構(gòu)件造型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法需要借助腳手架、梯子等費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)量精度差、效率低；而且對(duì)于古建筑的重要信息如斗拱、彩畫、藻井等難以測(cè)量記錄，容易產(chǎn)生測(cè)量遺漏、信息不全，需返工測(cè)量。

三維激光掃描儀技術(shù)是指利用激光測(cè)距的原理，密集的記錄目標(biāo)物體的表面三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，對(duì)空間進(jìn)行真實(shí)的三維記錄，瞬時(shí)測(cè)得空間三維坐標(biāo)值的儀器。它具有采樣點(diǎn)速率高、非接觸式測(cè)量、自動(dòng)化等特點(diǎn)。在古建筑測(cè)繪時(shí)，采用三維激光掃描儀技術(shù)可準(zhǔn)確的記錄古建筑的點(diǎn)云信息，再將點(diǎn)云導(dǎo)入CAD，繪制建筑圖，速度快、精度高、信息全。

1 三維激光掃描技術(shù)的基本原理

三維激光掃描儀的具體工作原理是由激光發(fā)射器主動(dòng)發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，再由均勻旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡引導(dǎo)至物體表面點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)物體表面反射后由接收器接收，通過測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間，計(jì)算測(cè)點(diǎn)與掃描儀的距離S，同時(shí)角度編碼器同步記錄旋轉(zhuǎn)反射棱鏡縱向測(cè)量角度和掃描儀水平旋轉(zhuǎn)角度（如圖1 所示），由此便可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)值(x，y，z)。

圖1 三維激光掃描儀三維坐標(biāo)計(jì)算方法

三維激光掃描儀技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行掃描，得到海量采樣點(diǎn)的集合，稱為點(diǎn)云。點(diǎn)云通常包括了三維坐標(biāo)（XYZ）、激光反射強(qiáng)度（Intensity）和顏色信息（RGB），可精確反映古建筑實(shí)地實(shí)物的尺寸、反射率和顏色等數(shù)據(jù)，制作建筑數(shù)字模型和繪制建筑圖。

2 三維激光掃描技術(shù)在古建筑繪圖工作實(shí)踐應(yīng)用

本次古建筑測(cè)繪實(shí)踐以某古建筑為測(cè)繪對(duì)象，采用廣州思拓力測(cè)繪科技有限公司的三維激光掃描儀X300，是基于飛行時(shí)間差的脈沖式激光掃描儀，其掃描速度約為40000p/s，最大掃描距離理論值300m；測(cè)距精度為50m 以內(nèi)，中誤差小于5mm，300m 以內(nèi)，中誤差小于30mm；掃描視場(chǎng)為水平360度，垂直180 度；內(nèi)置1070 萬像素專業(yè)數(shù)碼相機(jī),8660 萬像素（環(huán)幕）,專業(yè)定焦相機(jī)；隨機(jī)點(diǎn)云處理軟件為Si-Scan。

1）X300 三維激光掃描儀外業(yè)準(zhǔn)備。測(cè)量人員2人，三維掃描儀X300 一臺(tái)、三腳架一個(gè)、智能手機(jī)（平板電腦或者其他的有連接WIFI 功能的設(shè)備）一部，同時(shí)了解古建筑的具體實(shí)際情況，設(shè)計(jì)掃描路線，盡量用較少的測(cè)站，盡量的減少工作量，提高工作效率，減少因?yàn)闇y(cè)站的架設(shè)和拼接帶來的系統(tǒng)誤差。

2）三維激光掃描儀測(cè)站架設(shè)。首先根據(jù)掃描路線的確定的測(cè)站位置，安置儀器，安裝三維激光掃描儀基座，并對(duì)中整平，確保儀器架設(shè)好之后，圓水準(zhǔn)氣泡居中。測(cè)站架設(shè)位置選取應(yīng)注意高度和掃描范圍合理，當(dāng)?shù)孛鏋橥临|(zhì)時(shí)，將架腿踩實(shí)，防止腳架沉降；同時(shí)防止由于車輛等因素引起的地面滑動(dòng)、震動(dòng)等現(xiàn)象。

3）數(shù)據(jù)采集。由于受到物體遮擋、掃描視角限制等干擾，數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量目標(biāo)多方位設(shè)站掃描采集數(shù)據(jù)。如本次測(cè)繪實(shí)踐采集古建筑正立面時(shí)采用左、中、右，三個(gè)方位設(shè)站掃描采集數(shù)據(jù)，為方便后期點(diǎn)云拼接，數(shù)據(jù)采集前設(shè)置紙質(zhì)標(biāo)靶5 個(gè)，如圖2 所示。

圖2 掃描采集的點(diǎn)云信息

4）數(shù)據(jù)處理。本次測(cè)繪實(shí)踐采用了以廣州思拓力測(cè)繪科技有限公司的三維激光掃描儀X300 自帶的數(shù)據(jù)后處理軟件Si-Scan。Si-Scan 數(shù)據(jù)處理步驟為導(dǎo)入測(cè)站數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)拼接、去噪和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出。本次測(cè)繪實(shí)踐把導(dǎo)出的TXT 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCADReCap 創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)云投影文件(RCP)，RCP 格式文件就可以被AutoCAD 和及其他Autodesk 應(yīng)用程序使用，如Autodesk Revi 軟件。

5）古建筑CAD 建筑圖繪制。本次測(cè)繪實(shí)踐由Si-Scan 軟件導(dǎo)出TXT 格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Auto-CADReCap 創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)云投影文件(RCP)；然后把RCP 格式文件通過點(diǎn)云附著插入T20 天正建筑軟件，選擇俯視圖，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)云使建筑物外輪廓水平和豎直；最后依據(jù)點(diǎn)云繪制CAD 建筑圖紙。點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過Si-Scan、AutoCADReCap、T20 天正建筑三款軟件互相配合，可快速、有效的繪制CAD 建筑圖紙和建立古建筑3D 模型。如圖3，圖4 所示。

圖3 古建筑正立面圖

圖4 古建筑平面圖

6）三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪應(yīng)用的問題及策略。

（1）古建筑掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大。由于古建筑造型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用高密度掃描模式，三維掃描儀X300 根據(jù)掃描的點(diǎn)密度有快速、標(biāo)準(zhǔn)和精細(xì)三種掃描模式。本次古建筑測(cè)繪實(shí)踐采用X300三維激光掃描儀的標(biāo)準(zhǔn)掃描模式，單站數(shù)據(jù)量很大，若把所有測(cè)站數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)處理對(duì)電腦配置要求很高，一般計(jì)算機(jī)無法滿足。故本次實(shí)踐中采用“按需分項(xiàng)拼接”測(cè)站數(shù)據(jù)，例如：繪制正立面圖時(shí)，只需拼接與正立面相關(guān)的三個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；繪制側(cè)立面圖時(shí)，只需拼接與側(cè)立面相關(guān)的兩個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用“按需分項(xiàng)拼接”測(cè)站數(shù)據(jù)可有效分解大數(shù)據(jù)為2 到3 個(gè)測(cè)站為一組的“分項(xiàng)數(shù)據(jù)”，有效降低對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力的要求。

（2）局部大樣圖的繪制。古建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、附屬藝術(shù)品多，一般像斗拱、藻井、門窗、雕刻等都需繪制大樣圖，本次測(cè)繪實(shí)踐使用三維激光掃描儀近距離（3～6m 左右），采用精細(xì)掃描模式采集數(shù)據(jù)局部對(duì)象，由于局部對(duì)象較小，一般1 至2 站掃描即可，然后使用CAD 勾勒出局部大樣圖，如圖5，圖6所示。

圖5 古建筑花板大樣

（3）三維激光掃描儀對(duì)古建筑的測(cè)繪精度。為了檢測(cè)三維激光掃描儀的測(cè)繪精度，對(duì)某古建筑特征點(diǎn)用鋼尺采集了一定數(shù)量的尺寸數(shù)據(jù)（往返測(cè)取中值），同時(shí)在CAD 中量取了由三維掃描儀X300采集數(shù)據(jù)而繪制的建筑圖中古建筑特征點(diǎn)的尺寸數(shù)據(jù),總共量測(cè)了12 組數(shù)據(jù)，其比較結(jié)果見表1。從表中比較分析可知，中誤差為4.17mm。采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)量與傳統(tǒng)鋼尺測(cè)量相比差別不大，可完全替代傳統(tǒng)鋼尺測(cè)量。

圖6 古建筑門窗紋飾大樣

表1 三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)量與傳統(tǒng)鋼尺測(cè)量的比較

3 小結(jié)

通過三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪工作實(shí)踐應(yīng)用，系統(tǒng)的闡述了從掃描采集數(shù)據(jù)至繪制建筑圖的過程及策略，采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)繪可有效提高測(cè)量精度和數(shù)據(jù)完整性，省時(shí)省力、效率高。同時(shí)，非接觸的測(cè)量方式不會(huì)對(duì)古建筑造成損傷，在技術(shù)層面上加強(qiáng)了古建筑、文物的保護(hù)和傳承。