基于三維激光掃描的歷史文物建筑測繪研究

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3710

摘 ?要：隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，其在歷史建筑、歷史文化街區(qū)等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。該文從三維激光掃描下進(jìn)行的古建筑測繪入手，綜合討論三維激光掃描這項新式測繪技術(shù)的特點以及將其用于歷史文化街區(qū)保護(hù)中的合理方式，論文探索出了一條基于三維激光掃描的由點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理到古建筑平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型制作的作業(yè)流程。結(jié)合具體實例表明，基于三維激光掃描進(jìn)行的歷史文化街區(qū)保護(hù)測量，具有很大的發(fā)展?jié)摿把芯績r值。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描 ?歷史文化街區(qū) ?古建筑測繪 ?點云數(shù)據(jù)

中圖分類號：TU198???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ??文章編號：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Research on Surveying and Mapping of Historical and Cultural Relics Buildings Based on

Three-dimensional Laser Scanning

HU Shengsong

（Ma'anshan Institute of Surveying and Mapping Technology Co.， Ltd.， Ma'anshan， Anhui Province， 243000 China）

Abstract：?With the continuous development of 3D laser scanning technology， it is more and more widely used in the fields of historical buildings， historical and cultural blocks and so on. Starting with the mapping of ancient buildings under three-dimensional laser scanning， this paper comprehensively discusses the characteristics of three-dimensional laser scanning， a new mapping technology， and the reasonable way to use it in the protection of historical and cultural blocks. This paper explores a method based on three-dimensional laser scanning， from point cloud data acquisition and data preprocessing to the plan and elevation of ancient buildings Operation flow of section drawing and 3D model making. Combined with specific examples， it shows that the protection measurement of historical and cultural blocks based on three-dimensional laser scanning has great development potential and research value.

Key Words：?3D laser scanning; Historical and cultural blocks; Ancient architecture mapping; Point cloud data

在歷史文物保護(hù)與重構(gòu)方面，測繪技術(shù)的應(yīng)用形式主要有傳統(tǒng)測量手段、近景攝影測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)3種。三維激光掃描吸收了前兩者的優(yōu)點，并克服了固有缺陷，能夠快速、精確地獲取點云數(shù)據(jù)，能在復(fù)雜的環(huán)境中以短時間進(jìn)行掃描并形成三維影像模型，安全穩(wěn)定、可操作性強;且該技術(shù)為非接觸式測量，在提取文物三維數(shù)據(jù)信息的過程中避免了古建筑的再次破壞;此外，基于點云的處理軟件為各種平面和三維成果的制作提供了豐富功能，為數(shù)據(jù)的后處理提供了強有力支持。

三維激光掃描技術(shù)能夠適應(yīng)當(dāng)代技術(shù)需求，為歷史文化建筑的數(shù)字測繪與重建提供全新的思路與方法。當(dāng)下一些歷史文化街區(qū)，正在時間的推移及城市現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程中遭受著不同程度的破壞。因此，如何科學(xué)、有效地繼承并保護(hù)這些珍貴的文化遺產(chǎn)，成為當(dāng)?shù)貧v史文化街區(qū)保護(hù)與修復(fù)工作中亟需面對的問題，而該文所研究的相關(guān)技術(shù)方法將為這一問題的解決提供較為完整的理論和技術(shù)支持體系。

1三維激光掃描技術(shù)流程

現(xiàn)場測量、繪圖和后期的正式圖紙繪制均應(yīng)以組為單位，在采取三維激光掃描技術(shù)的前提下，一般每組2～3人為宜。技術(shù)流程如下。

1.1 準(zhǔn)備工作

在此階段，首先應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，查看已有控制點的位置、保存情況和使用的可能性以及控制點聯(lián)測的大概方案，進(jìn)而通過待掃描對象的特點確定掃描站點的位置與掃描模型的拼接方式，以草圖、照片等形式保存成果。再通過編制具體的掃描實施方案確定大地測量聯(lián)測的方案、掃描站點的位置和掃描時的定向及定位方式、每個掃描站上掃描的目標(biāo)和每個目標(biāo)的掃描分辨率，進(jìn)一步明確實施方案中還要包括掃描的工作流程、供給方案、人員配備及掃描施工組織。

1.2 數(shù)據(jù)采集

在正式開展古建筑測繪前應(yīng)布控制網(wǎng)，將全部測量數(shù)據(jù)納入同一坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中，為今后的古建信息管理工作奠定基礎(chǔ)。測站位置選好后，架設(shè)儀器通過操作與之相連的控制電腦設(shè)備開始進(jìn)行掃描;考慮到后續(xù)制作正射影像的需要，應(yīng)在測量過程中注意鏡頭視角以獲取完整的數(shù)字影像像素內(nèi)容。

1.3 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

為保證后續(xù)過程的數(shù)據(jù)統(tǒng)一性，首先應(yīng)通過點云數(shù)據(jù)的拼接將點云的坐標(biāo)系統(tǒng)由掃描儀自身坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為某一統(tǒng)一坐標(biāo)系。其后，為提高數(shù)據(jù)可用性，在保留掃描對象特征的前提下減少點的數(shù)量，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，方便數(shù)據(jù)的輸入、輸出、管理。

1.4 點云模型中三維數(shù)據(jù)量測

建筑測繪中，經(jīng)常需要量測某些特征點在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過比較特征點的坐標(biāo)值得到點間關(guān)系;在古建筑變形測量中，通過比較同一點在兩次測量時間段內(nèi)的坐標(biāo)變化值得到建筑的變形。在點云處理軟件的3D 視圖中可以直接測量點與點間的空間位置數(shù)據(jù)和某一個面的空間狀態(tài)，可借助專業(yè)軟件的使用，量測出點的三維坐標(biāo)及多點間距離、角度等空間量。

1.5 構(gòu)建平立剖面圖及三維模型

通過借助專業(yè)繪圖軟件如AutoCAD配合諸如PointCloud等三維激光掃描數(shù)據(jù)后處理軟件，構(gòu)建合適的坐標(biāo)系，可將立面內(nèi)容適配后轉(zhuǎn)至平面。而基于平面內(nèi)容進(jìn)行推演，通過直線、曲線、面域，以及對象上的面、邊等構(gòu)造實體或曲面，以繪圖軟件內(nèi)置的布爾運算（并集、差集、交集）為基礎(chǔ)也能夠擬合、創(chuàng)建復(fù)合三維對象。借助后期的紋理貼圖軟件的處理，可生產(chǎn)出真實感更強的模型。

2實例分析

將該文的研究思想應(yīng)用于安徽某古建筑（由門房、圍墻、展館、廂房、工作人員用房等組成，總面積約925?m），基于三維激光掃描技術(shù)，完成了外業(yè)點云數(shù)據(jù)測繪工作;并通過內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)結(jié)合專業(yè)軟件的平面、剖面、立面成圖分析，落腳于三維模型構(gòu)建與立體分析;最終結(jié)合數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果，對具體應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)評估，并形成了測繪成果如圖1所示。針對工作最終成果，該文從數(shù)據(jù)、精度、應(yīng)用前景三方面進(jìn)行分析，總結(jié)了當(dāng)前工作中技術(shù)與方法上的不足之處，并一定程度上針對性地提出了改進(jìn)思路。

2.1數(shù)據(jù)采集分析

從數(shù)據(jù)的獲取情況看，采集的點云密度足夠客觀反映對象的特征，也基本能夠滿足后續(xù)使用的需要，但總體上看，利用掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的時候仍然存在一些不足。

首先，掃描存在死角。掃描死角即某些部件的點云數(shù)據(jù)無法采集。造成掃描死角的原因主要有兩個方面：一是掃描儀本身存在一個掃描角度，即只能掃描到豎直方向上某角度范圍內(nèi)的對象。二是掃描對象被遮擋，這種現(xiàn)象在掃描古建筑的時候經(jīng)常會遇到，比如外圍墻被雜草遮擋、內(nèi)屋頂被隔板遮擋等。這種情況下只能通過其他相同的部件進(jìn)行復(fù)制來恢復(fù)古建筑原貌，但是其精度和真實性會大大降低。

其次，是不同站之間的數(shù)據(jù)拼接存在一定的誤差。掃描儀本身的掃描精度能夠達(dá)到毫米級，足夠反映古建筑各種細(xì)節(jié)特征。但是各站點數(shù)據(jù)需要通過相對定向或絕對定向進(jìn)行拼接，這需要通過靶標(biāo)或控制測量完成。案例中各站點數(shù)據(jù)都通過絕對定向完成，控制點利用網(wǎng)絡(luò)RTK與全站儀配合進(jìn)行測量。各站數(shù)據(jù)的絕對位置中誤差為0.05 m，相對位置中誤差次于0.05 m，這導(dǎo)致某些需要不同站點云拼接得到的尺寸較小的建筑構(gòu)件誤差偏大甚至失真。為改善這種狀況，需要通過現(xiàn)場測量、增加測站間同名點等手段加以輔助;必要時也可對原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分類分層，以方便目標(biāo)建筑的量測和分析及用于后期的數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用。

2.2 研究精度分析

具體誤差統(tǒng)計如表1所示，綜合考慮測量中誤差產(chǎn)生的各種原因，三維激光點云及其成果的數(shù)學(xué)精度主要受三方面的影響，首先是掃描儀自身結(jié)構(gòu)決定的相對精度，其次是控制測量精度，最后是數(shù)據(jù)加工引起的二次誤差。一般情況下掃描儀自身的相對精度可以達(dá)到毫米級，對點云及成果的影響可以忽略不計?？刂茰y量精度對點云及成果產(chǎn)生決定影響，數(shù)據(jù)加工引起的人為誤差導(dǎo)致成果精度要低于原始點云的數(shù)學(xué)精度。

該例中控制測量采用網(wǎng)絡(luò)RTK與全站儀測量技術(shù)，理論平面中誤差為±0.05 m。而修正后的平面中誤差檢驗結(jié)果為±0.064，略低于±0.05 m?？紤]到實際隱蔽點等情況，點云數(shù)據(jù)中誤差宜為控制點精度的√2倍，成果數(shù)據(jù)中誤差宜為控制點精度的2倍。

3 總結(jié)與展望

通過該文研究，探索出了一條基于三維激光掃描的由點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理到古建筑平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型制作的作業(yè)流程。其與傳統(tǒng)人工測繪手段比較，克服了二次破壞等固有缺陷，也具有數(shù)據(jù)可塑性高、成果更加豐富等優(yōu)點，但是其工作周期長，隨建筑復(fù)雜度增加工作測量效率降低明顯等制約因素也有待后續(xù)研究進(jìn)一步解決。從總體上看，基于三維激光掃描進(jìn)行的歷史文化街區(qū)保護(hù)測量，具有很大的發(fā)展?jié)摿把芯績r值。

未來，基于三維激光掃描與歷史文化街區(qū)保護(hù)，可從以下幾個方面繼續(xù)開展工作：（1）開展三維激光掃描，采集點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，基于點云構(gòu)建虛擬三維模型并存檔。點云和影像數(shù)據(jù)既可以看作原始數(shù)據(jù)，也可以看作成果數(shù)據(jù)。（2）基于原始點云和影像數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)深加工。以此制作平、立、剖面圖，可推動與傳統(tǒng)古建筑測繪成果接軌;利用三維點云數(shù)據(jù)對部件進(jìn)行快速三維建模，結(jié)合機(jī)械自動化技術(shù)可以快速復(fù)制各種部件，可實現(xiàn)古建筑快速修復(fù);基于點云數(shù)據(jù)的變形檢測，可根據(jù)變形趨勢提前采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)性維修和加固。（3）將測量獲得的各種數(shù)據(jù)成果加載到目前較為成熟的公眾平臺，加上部分軟件功能的開發(fā)，將更加有助于開展數(shù)字（智慧）歷史文化街區(qū)、數(shù)字（智慧）歷史文化名城建設(shè)。

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作者簡介：胡生送（1970—），男，本科，高級工程師，主要從事測繪地理信息項目管理及研究工作。