三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用

三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用

吕淑琴

湖北省黄冈市李四光纪念馆  湖北省黄冈市  438000

摘要：随着社会的发展，人们对历史建筑物的保护意识逐渐加强。很多优秀历史建筑物在建造时并无设计图纸，因此一旦遭受破坏很难复原。近年来，这座近现代古建筑遗产面临着越来越多的修缮保护需求，为此需要首先对古籍馆开展全方位测绘工作，为古籍馆的保护及今后的维护提供科学的档案资料，为后续修缮工作的有序开展奠定良好的基础。本文利用三维激光扫描技术在古建筑测绘中的辅助测绘优势，探讨了三维激光扫描技术在古建筑修缮中的具体应用。

关键词：三维激光扫描；古建筑修缮；应用

中图分类号：TU72   文献标识码：A

引言

三维激光扫描技术有着速度快、信息全、无接触、误差小的优点，对建筑测绘具有革命性的意义。在点云数据和影像数据的支撑下，可以在计算机中构建古建筑数字模型，将古建筑现有状况完整精确地保存到数据库中，为之后古建筑研究、保护、修缮、重建提供依据。

1、三维激光扫描技术概述

古建筑测绘需要对其大小，空间位置和形状进行具体的测绘，采用测绘常规人工作业方法精度低，并且消耗大量人力物力财力，测量人员还需要不断地接触古建筑，对于古建筑本身而言具有一定的危险性且容易遭到损害。三维激光扫描技术的出现为获取空间三维信息提供了全新的技术手段，它克服了传统测量技术的局限性，采取了非接触、主动测量方式的测量方法。三维激光扫描技术还具备以下特点：数据采样率高，高分辨率高精度，实时性动态性，全数字采集，自动化程度高等优点。因此，三维激光扫描技术改变了传统的作业方式，将大量的外业人工作业转变成了对建筑物点云进行自动化、高精度和非接触式的采集，并且单个点云的精度达到毫米级，避免了传统测绘方式的缺点，有利于保护古建筑不受损害。

2、三维激光扫描技术特点

地面三维激光扫描技术是通过利用激光束对物体进行扫描而获取物体的高度信息和相对位置信息，地面三维激光扫描技术具有高精度、全自动化等特点。相对于传统测绘技术而言，三维激光测量系统可以将目标表面的三维信息以数字化的形式储存于设备中，并以数据形式显示出来。利用激光测距仪的激光测距功能获取地面目标表面的距离信息，其精度可以达到毫米级，从而实现对三维空间数据进行测量与绘制。由于地面三维激光扫描技术能够快速获得建筑物、车辆等物体表面的位置和高程信息，因此其应用范围较广。利用该技术可以将地面目标表面数据处理转化为相应的二维空间数据格式。由于该技术在测绘领域的重要作用而受到广泛关注。利用该技术能够在获取测量结果的同时，对目标进行定位与提取等工作；通过对获得数据进行处理，可以得到更加丰富和完整的测量数据。利用地面三维激光扫描技术在实际操作过程中可以采集到较为真实自然、分布均匀且分布规律明显的目标物表面信息；通过对目标实体进行扫描可以得到其空间位置信息。当物体被标记为特定对象时，通过将该点与地面三维扫描器进行比较可确定物体是否存在于此点范围内，进而实现对物体表面的测量，因此可以将其应用于古建筑测量方面。

3、 三维激光扫描技术在古建筑修筑中的应用

3.1 外业数据采集流程

针对传统古建筑的结构复杂，其中又包含大量横梁、立柱、斗拱、雕花等复杂建筑构件。三维激光扫描仪的扫描视野会受到建筑物结构的遮挡影响，对数据质量和精度产生重要的影响，导致无法精确记录复杂建筑构件信息。因此，在进行外业数据采集之前，要进行精准的现场勘踏，建筑物的总体结构、复杂构件要结合工程要求，还需要考虑三维激光扫描仪的仪器特点和相应数据处理软件的要求，进行综合分析。其中一般情况下作业任务不能在一个扫描测站完成，需要选择多个位置布设测站。或是任务要求套用特定的坐标系，数据需要涉及坐标转换的问题。此时，就需要选取一定数量的公共点，这些公共点用作计算数据的坐标转换参数，以提高换算精度，可以采用靶球为公共点实物，根据实际情况也可使用靶标等平面标志。最终完成方案的设计，之后进行实地扫描作业，完成外业数据采集。

3.2 控制网的布设

获得任何一个建筑物完整的点云数据，必须进行多次扫描，而每个站点的观测点云资料并不是相互关联的，因此要将各个站点的点云资料集中在一个坐标系统中。在选取的时候，各个节点的间距要差不多相同，而且要保证足够的视野，以便于安装。测试网络以单独的座标方式布置，北边为零边，因其构造较为繁复，要想得到点云的全部资料，必须在九处位置上设置一个铁钉作为标记，以备后续的扫描仪扫描。实验中，在最外围4个位置布置1条封闭的线路，利用全站仪测量出各边的长度和角，然后通过校正得到平面的坐标，再利用三角形的高度理论通过全站仪求取，在其他5个位置上布置5条连接线，由四个点组成封闭的线路进行平差和校验。

3.3 点云拼接及去噪

采用FARO自带的SCENE点云处理软件进行点云拼接操作。SCENE提供了3种点云拼接方法，分别是基于俯视图注册、基于云际注册和基于目标注册。基于俯视图注册对应基于地物特征点拼接的采集方式，基于云际注册是对基于俯视图注册拼接后的点云进行优化。基于目标注册对应基于标靶拼接的采集方式。根据外业扫描情况，本次采用基于俯视图注册＋基于云际注册和基于目标注册的组成模式进行点云拼接，并利用软件自带的过滤工具进行点云噪点过滤。软件拼接后各站点云间的距离差较小，且拼接后房屋点云与实际建筑物形状基本一致，无明显的错层、偏移等问题。

3.4 三维模型重建

在古建筑保护修复和数字化重建等工作中，都需要准确地表达建筑物的结构和细节信息。由于郑氏宗祠结构较为复杂，我们尝试将古建筑分离，依次通过基座、木柱结构、屋顶完成建模。同时参考二维平面图、立面图和剖面图将建模工作由繁到简，降低工作耗时，提高效率和精度。二维平面影像的获取，对点云数据进行定位处理可以切割出特征平面和立面的点云数据，在通过正射投影得到各个平、立、剖面的正射投影图。在Realworks中根据点云数据绘制出二维图，并同步至Sketchup中。同时，依靠Realworks扫描浏览器进行特征点、线、面的提取同步至Sketchup中辅助建模，提高建模效率。

4、结束语

本研究运用三维激光扫描仪在古建筑数字化保护中应用，为古建筑的快速准确数字化存档提供了有效的技术手段，也为古建筑的维护和修缮提供了底层支撑，为传统建筑的宣传展示增添了新的方式，提升了古建筑维护和保护的效率和安全性。三维激光扫描仪作为新的技术手段，在古建筑的数字化保护中有着传统保护方法不可比拟的优势，一定会在中国古建筑保护与维护修缮中发挥重要的作用。但是实际应用过程中也存在激光点云数据配准时间较长、缺乏建筑物纹理信息的表达等问题。未来测站布设的优化、数据的处理效率、多源数据的融合、精细化自动建模仍是未来研究和应用的重点。

参考文献：

[1] 周美川.三维激光扫描技术在古建筑测绘绘图中应用[J].甘肃科技,2021,37(04):108-110.

[2] 蔡锐.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].技术与市场,2020,27(11):89+91.

[3] 孙晓艳.三维激光扫描技术在古建筑数字化建模中的应用[J].安徽文博,2020(00):30-33.

[4] 李承伟,汪鸿钊,何春容,李合理,李渊.三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用[J].居舍,2020(26):63-64.

[5] 卢其垡.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].北京测绘,2020,34(05):623-627.