陕西古建园林建设有限公司 陕西省西安市 710003
【摘 要】三维激光扫描仪是目前测绘领域一项新兴的测量手段，它的出现改变了传统的古建筑测绘方法，能完整的获取古建筑物的整体结构和形态特性，快速并准确的得到三维点云模型，获取第一手的古建筑资料及档案信息，对古建筑保护工作起到了实质性的推进作用。本文从三维激光扫描仪的原理着手，并结合位于宁波市江北区的慈城建于唐天宝年间的清道观主殿为对象，分析三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用。
【关键词】三维；激光扫描仪；古建筑测绘；应用研究
一、前言
三维激光扫描技术的出现，使古建筑数据采集技术有了很大的改善，能够快速便捷的获取空间数据，进而建立三维空间模型，获取真实的古建筑物空间数据模型。三维激光扫描技术是一项可以快速获取点云数据的新技术，并快速生成三维点云模型，真实描述目标物的整体结构和形态特性，获取古建筑物完整的空间信息，保存到最全面的参考资料及档案。
二、三维激光扫描仪的测量原理
三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，可全天候、快速、直接、高精度地采集大范围区域的三维信息。三维激光扫描仪利用三维激光扫描技术的激光测距原理，以点云数据密集地记录目标物体的表面三维空间坐标、反射率和纹理信息，对空间进行真实的三维记录。
三维激光扫描仪获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是点的集合，称之为“点云”（points cloud），它的每一个像素包含的是一个距离值和一个角度值。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息、点云的发射密度值以及内置相机获取的影像信息。这些原始数据不但能够完整、精确地描述并记录古建筑的现场信息和尺寸信息，而且还能让用户随时随地在计算机上对古建筑的细部进行直接测量，并可调用实测数据进行古建筑CAD二维图形精确转换。因此三维激光扫描仪能够提高古建筑测绘精度、效率，节省测绘的人力、物力和时间，只要对测绘对象合理进行布点定位全面扫描，就不用担心实测遗漏和错失问题。
三、三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用
利用扫描仪进行外业数据采集，由于地形、扫描物体等各种外界环境的不同，在进行具体的布设方案设计时，可能会受遮挡物的影响，就需要合理的确定设站位置及测站数，最终获得良好的扫描结果。对于布设方案的具体选择情况，应根据实际踏勘资料、设备、人员等情况来选定，方案选择的合理性就决定了数据采集的速度和效率。针对这些设站要素对扫描结果的影响会直接影响到后期的数据处理。
1、扫描仪外业数据采集工作
图1，扫描仪外业数据采集工作流程图
在外业数据采集这项工作中，通常是根据现场踏勘情况，查看已有控制点和扫描物等，绘制现场草图，确定扫描站的站数以及设站位置，进行测站点的布设和标靶布设，然后进行建筑物扫描工作，同时获取建筑物的纹理数据等。三维激光扫描仪进行外业数据的采集工作流程图如图1所示。
（1）现场踏勘
扫描建筑物之前，需要实地现场踏勘，根据扫描建筑物的位置、外部形态、内部结构及控制点的保存情况绘制现场草图，再大体确定扫描站的站数以及设站位置，画出控制网草图，并对主要扫描对象进行拍照等。另外，选择测站时要尽量选择视线开阔的地方，并在有效扫描距离内设置合理的站数，获得最佳的扫描结果，从而保证能采集到完整的建筑物信息。
（2）扫描站点和标靶布设
为获得完整的建筑物点云数据，扫描时需要进行多站式扫描，实现对建筑物表面形态的完整表达。为了把各站扫描的点云数据统一到同一坐标系下，需要合理的进行控制网和标靶的布设，保证每个标靶要和测站通视，且注意标靶布设位置的正确性，为后面点云数据的拼接提供方便。
（3）仪器、设备、人员的准备工作
在进行扫描之前，先进行扫描仪的测试与检验，再设置好各种参数，清点好各个配件，安排好人员和后勤服务，并进行内业数据处理软件安装工作。
（4）扫描目标物
将三维激光扫描仪架设在控制点上或选定好的测站上对中、整平，打开扫描仪电源，进行一系列的扫描仪自检，设定分辨率和点云间隔等工作之后，再以标靶作为后视点，开始扫描仪自动扫描，扫描完后自动存储数据，并顺次到各个测站进行扫描，以获取完整的建筑物点云数据。
（5）纹理照片的获取
一般采用数码相机人工获取建筑物纹理照片，为后期模型纹理贴图提供素材。
2、测绘数据的处理
目前古建筑保护需要应用到的资料有平面图、立面图、剖面图和三维模型等。其中，平、立、剖面图采用PointCloud软件通过特征点、线、面的采集和编辑等来完成（如图2～图5所示）；三维模型主要采用Geomagic软件提供相关工具，并对获取的点云数据进行自动拼接，影像匹配也由该软件自动匹配。分析和制作建筑的主体几何结构，从而搭建建筑几何模型，然后将模型导入3dsMax软件中完成纹理贴图，即可获得古建筑的精细三维模型（如图6、图7所示）。其中，个别古建筑区域有存在点云空洞，采用Geomagic软件功能填补，其主要原理是通过空洞周围的点进行线性或曲面的插值来填补空洞。
图3 建筑一层平面图
3、CAD测绘图纸的生成
古建筑测绘的最终目的是得到准确的、能够真实客观反映古建筑原貌的CAD图纸，为古建筑提供系统、详尽的数据存档，为日后的修复、重建提供可靠的资料。为了优化点云数据模型，在Cyclone软件中必须对拼接后的古建筑点云数据模型进行统一处理。然后通过Cloudworx插件将点云数据模型导入到Auto-CAD中进行切片，再利用AutoCAD的绘图功能根据切片特征点和点云数据进行绘图。
4、扫描仪外业数据采集精度影响分析
三维激光扫描技术在国内还处于发展阶段，关于这方面的研究不是很多，目前还没有形成一个成熟的、通用的评价体系。通过对三维激光扫描仪进行数据采集的精度分析和规律总结，可以为此项技术在测绘行业中的应用提供相应的技术参考。
（1）标靶对扫描距离的影响
对于标靶点云厚度与扫描距离两者之间的关系，根据相关统计资料显示，标靶点云厚度与扫描距离的远近没有显著的相关性。各种扫描距离下，标靶点云厚度是稳定的（标准差均在3mm左右），点云厚度反映了标靶匹配精度。因此，同一类型的标靶对扫描精度的影响是稳定的，求取所有重复基线的平均扫描距离，得到与理论距离的差值，由此可计算得到基线重复测量中的误差，进而判断能否达到扫描仪的表面扫描精度符合标靶扫描精度2mm的要求。
（2）扫描间隔对扫描数据采集精度的影响
三维激光扫描仪扫描建筑物，得到的扫描结果是点云数据，但是点云是大量存在的，一个未知点在扫描时不能被量测到其具体的坐标，这表明了三维激光扫描仪的盲目性。当建筑物或某研究对象需要高密度的点云数据去表达一些细部特征时，通常要设置较小的扫描间隔，但是间隔过小会导致点云密度过高，造成数据冗余，计算机运行速度低下、数据处理效率也会随之降低。因此，可以采取从测站中选取特征点的方式，对这些点的坐标中误差来进行评价。一般在工程生产中，对于扫描表面较规则的建筑物类时，使用规则平面相交的方式可以更精确和可靠的获取特征点。
四、结语
三维激光扫描仪作为古建筑测绘的一种新的技术手段，必将会在古建筑测绘应用中得到普及和推广，并在历史建筑保护与再生利用领域中发挥重要的作用。当然，软件方面存在的不足，比如各种普通的特征提取与处理算法直接应用于历史建筑重建中还有一定距离，点云数据向CAD图纸转化的自动化程度较低，这都是目前困扰实际应用的一个重要难题，这些将是日后应用研究解决完善的重要方向。
参考文献：
[1] 李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].西安：长安大学，2012.
[2] 丁宁 王倩 陈明九.基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J].山东建筑大学学报，2012，25（3）：274-277.
[3] 周立 李明 毛晨佳 等.三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J].上海建设科技，2011（4）：47-48.
论文作者:章纪伟,郝统一
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9期
论文发表时间:2016/9/9
标签：扫描仪论文; 激光论文; 古建筑论文; 数据论文; 建筑物论文; 技术论文; 数据采集论文; 《低碳地产》2016年9期论文;