摘要：三维激光扫描仪的出现，改变了传统的数据采集方式，是测量技术发展的大变革。在古建筑测绘中应用三维激光扫描仪，能够有效的弥补传统测绘方式的不足，对文物保护工作具有积极的意义。本文结合对三维激光扫描仪和古建筑测绘相关内容的介绍，分析了古建筑测绘中三维激光扫描仪应用的误区，并探讨了在古建筑测绘中三维激光扫描仪的应用，旨在为相关工作提供参考，促进中国传统建筑理论研究的发展。
关键词：三维激光扫描仪；古建筑测绘；应用
三维激光扫描技术是近年来兴起的高新测绘技术，具有快速、精确、全面、非接触性等特点，其在遗产保护领域中的应用越来越得到重视，但是大部分工作只停留在数据存储和简单测绘上面，而作为基本的数据库储存仅仅是遗产保护的一个方面内容，关键是怎么利用三维激光扫描数据，如何与遗产保护真正的结合起来，这也是制约三维激光扫描技术发展的瓶颈。以往项目主要注重数据采集和结合法式测绘绘制图纸方面，本文讨论直接使用三维激光扫描数据表达建筑形变，为的是尽量减少人为干预对于数据准确度的影响，充分发挥三维激光扫描数据精确的优势。同时结合法式测绘对古建筑现状的进行勘测和形变分析，为后期古建筑修缮和建筑研究提供基础数据。
１三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。激光测距原理主要采用飞行时间测量技术，对于每个点Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ），扫描仪的激光器发射脉冲信号，脉冲信号到达物体表面，反射回到扫描仪，可以计算出脉冲信号的飞行时间ｔ。由于光速ｃ＝3.0×108ｍ/ｓ为已知值，因此可以计算出物体表面到三维激光扫描仪的距离Ｓ。
假设α为激光束垂直方向的夹角，β激光束水平方向的夹角，如图１所示，则Ｐ点的三维空间坐标：
ｘ＝Ｓ×cosα×sinβ
ｙ＝Ｓ×cosα×cosβ
ｚ＝Ｓ×sinα
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”，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。
2、古建筑测绘中三维激光扫描仪的应用
2.1 研究区概况
开平碉楼群，坐落在广东省中南部的著名侨乡江门市开平境内，是目前广东省唯一一处世界文化遗产。开平碉楼是一种集家族居住、防御入侵、中西建筑交融等功能于一身的塔楼式古建筑群体。20 世纪二三十年代，华侨的归国带动了碉楼的大量兴建，使其发展成为一种深刻体现中国社会传统与华侨文化的群体建筑形象。2007年，“开平碉楼与村落”被联合国教科文组织正式载入《世界遗产名录》，这也是我国首个以华侨文化为内容主体的世界遗产项目。
本文正是以开平碉楼群中保存较好的澜生居庐为扫描对象，利用三维激光扫描仪和Cyclone 软件模块为测量工具，进行该古建筑物的点云数据采集工作。
2.2对古建筑的数据进行采集
由于受到扫描盲区、物体遮挡等因素的影响，在进行数据采集时采取多方位、多测站的方式进行扫描。首先，对测量标靶和测站的位置和数量进行确定。测量标靶的位置依据“服务于下一个测站”的原则进行确定，尽量达到“多站兼顾”的效果，尽可能让多个测站能够对标靶的数据进行采集，从而降低后期数据处理的误差；测站的位置和数量则根据测量对象的数据需求、复杂度、外观及大小进行确定。本次测量中测量标靶和测站各设置8个，在设好测站和测量标靶后，根据测量对象的采光情况和特征进行扫描仪曝光度和精度的确定，让后进行建筑的数据采集。
2.3对获取的测绘数据进行处理
由于受到现场实体间遮蔽和现场视角等因素的限制，在统一测站内三维激光扫描仪无法获得建筑全面的空间数据信息，因此，需要对建筑物进行多视角扫描，并将得到的各个视角的三维数据进行拼接处理，然后转换到同一坐标系中，此过程为点云数据的拼接。从而满足目标函数的旋转变换矩阵 R、T 和平移矢量 T。f（R，T）＝min∑［R×pi＋T－qi］2
其中，需要变换的点云用 pi和 qi表示，从式中可以看出，其核心为求得坐标的变换参数，即旋转矩阵R和平移矢量T。
受到测量对象被遮挡、行人和车辆等的影响，在利用三维激光扫描仪进行数据采集时会产生少量不规则、不清晰的点云，称之为噪点。后期CAD绘制图形以及计算机的存储器和系统资源都会受到噪点的影响，因此，需要对噪点进行处理。
2.4利用CAD生成测绘图纸
古建筑测绘的目的是进行古建筑真实、客观的反映，得到反映古建筑遇原貌的图纸，并进行古建筑数据的存档，因此在测绘时应当保障采集数据的详细度和完整度，为后期的重建和修复提供可靠的参考依据。为了使得点云数据模型得到优化，应对拼接后的古建筑点云数据在 Cyclone 软件中进行处理，然后将点云数据模型通过Cloudworx 插件导入CAD 中进行切片处理，最后利用CAD 根据点云数据和切片的特征进行绘图，得到祠堂的带点云数据的立面图，隐藏点云后得到最终的立面图。
图1CAD正面图
3结束语
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]张维强.地面三维激光扫描技术及其在古建筑测绘中的应用研究[D].长安大学，2014.
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[3]黄飒.三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D].河南理工大学，2012.
[4]吴志群.三维激光扫描技术在古建保护修复中的应用[N].中国文物报，2009-02-27（008）.
论文作者:林凯珊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：激光论文; 扫描仪论文; 古建筑论文; 数据论文; 测量论文; 开平论文; 碉楼论文; 《基层建设》2018年第4期论文;