三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑測繪中的應(yīng)用

王苑楠，井發(fā)明，費(fèi)佳寧

（1. 寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑測繪中的應(yīng)用

王苑楠1，井發(fā)明1，費(fèi)佳寧1

（1. 寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042）

針對(duì)傳統(tǒng)歷史建筑測繪方法的不足，研究采用三維激光掃描技術(shù)快速獲取歷史建筑高精度、高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上制作出準(zhǔn)確、完整的現(xiàn)狀圖紙，并進(jìn)行三維仿真精細(xì)建模。試驗(yàn)證明，三維激光掃描技術(shù)能夠很好地滿足歷史建筑測繪的要求，為歷史建筑測繪提供了高效全新的技術(shù)手段。

三維激光掃描；點(diǎn)云；歷史建筑測繪

歷史建筑測繪需要測繪其形狀、大小和空間位置，以及相應(yīng)的平面圖、立面圖和剖面圖等[1,2]。傳統(tǒng)的手工測繪方法精度低，容易損壞建筑物。近景攝影測量方法數(shù)據(jù)獲取方法不夠靈活，且需要復(fù)雜的處理才能夠得到成果。三維激光掃描技術(shù)通過高速激光測距，瞬時(shí)測得空間三維坐標(biāo)值，獲取空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，更真實(shí)地還原被測對(duì)象的原形原貌，為歷史建筑的測繪工作提供了新途徑[3]。本文對(duì)三維激光掃描技術(shù)在歷史建筑測繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究，證明其能夠很好地滿足歷史建筑的測繪要求。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀通過發(fā)射激光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭中心，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀。通過測量激光的位移數(shù)據(jù)反映出激光與物體之間的距離，用編碼器測量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度，以獲得每一個(gè)點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)值[4]，如圖1所示。用三維激光掃描儀掃描目標(biāo)體，可獲得大量的點(diǎn)數(shù)據(jù)。再使用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝和后期配準(zhǔn)，每個(gè)點(diǎn)可以包含X、Y、Z、R、G、B等6位信息，因此能夠快速獲取目標(biāo)詳盡、高精度的三維立體模型和紋理數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描采用非接觸測量方式，能夠快速獲取點(diǎn)密度和精度都非常高的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將所測量的對(duì)象按1︰1實(shí)景復(fù)制三維成型，反映出所有的結(jié)構(gòu)信息，由傳統(tǒng)的手工測量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度測量，并在此基礎(chǔ)上制作出建筑準(zhǔn)確、完整的現(xiàn)狀圖紙，其現(xiàn)狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫可作為電子數(shù)據(jù)永久存檔。三維激光掃描避免了人工接觸對(duì)象造成的建筑損壞、測量精度不高、測繪人員人身安全等不利因素；且在解決一些疑難問題時(shí)具有極大優(yōu)勢，如對(duì)于歷史建筑中的各類曲線形式、雕刻、文字、彩畫及毀損、殘缺等狀況，在點(diǎn)云中可以方便地勾畫出來，迅速測量所有需要的尺寸。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

采用地面三維激光掃描儀對(duì)寧波市某歷史街區(qū)的歷史建筑進(jìn)行掃描，獲取建筑內(nèi)外部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接處理，獲取建筑完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上繪制建筑平面圖、立面圖和剖面圖，并進(jìn)行三維仿真建模，如圖2所示。

圖2 三維激光掃描的應(yīng)用流程

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1）作業(yè)方案制定：首先對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，確定掃描作業(yè)方案，在建筑內(nèi)外部合理布設(shè)測站點(diǎn)。

2）激光點(diǎn)云的定位定向：激光掃描需要提供點(diǎn)云后期定位定向參數(shù)，因此需測定測站點(diǎn)和后視點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3）點(diǎn)云獲?。涸诟鳒y站點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀，后視點(diǎn)上架設(shè)靶標(biāo)球，利用地面三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行掃描，獲取建筑外部和內(nèi)部的點(diǎn)云信息。

4）影像獲?。罕卷?xiàng)目采用的激光掃描儀為RIEGL VZ-400，能夠在掃描點(diǎn)云的同時(shí)獲取物體表面影像。除此之外，需補(bǔ)充對(duì)建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照，對(duì)重要的保護(hù)建筑進(jìn)行錄像，直接作為數(shù)據(jù)存檔。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，除常規(guī)的點(diǎn)云預(yù)處理之外，主要進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接。利用標(biāo)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和影像之間的映射，對(duì)點(diǎn)云和對(duì)應(yīng)的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云的賦色，得到建筑表面的真彩色點(diǎn)云成果。

外業(yè)掃描獲取單站的點(diǎn)云，通過控制點(diǎn)定位和靶標(biāo)球定向的方式進(jìn)行拼接，將各站點(diǎn)云歸至同一坐標(biāo)系下，合為一個(gè)測區(qū)的整體點(diǎn)云成果。如圖3所示，建筑的彩色點(diǎn)云已經(jīng)能夠立體展示其結(jié)構(gòu)和紋理，快速實(shí)現(xiàn)了三維成型，點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫則作為電子數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化存檔。

圖3 建筑整體點(diǎn)云成果

2.3 建筑圖繪制

掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅外形與實(shí)物一樣，其包含的幾何信息也與實(shí)物完全一致。采用Pointools for CAD導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過提取建筑結(jié)構(gòu)特征和量測距離，按合適比例繪制專業(yè)的建筑平面圖、立面圖和剖面圖。平面圖要求標(biāo)注墻中軸線、墻體布置及寬度、門窗定位、樓梯、庭院外廊立柱、陽臺(tái)、室外臺(tái)階；立面圖標(biāo)注門窗定位及高度、檐口和屋脊標(biāo)高、4個(gè)方位的立面，繪制單線圖；剖面圖標(biāo)注屋架擱置方向，地面、室外、檐口、屋脊、屋架下弦標(biāo)高；發(fā)現(xiàn)墻體較大裂縫和其他較嚴(yán)重的毀損，附加簡單注明。

圖4、圖5、圖6為繪制好的平、立、剖面圖，這種出圖形式是大多數(shù)后續(xù)改建設(shè)計(jì)應(yīng)用中所需的主要成果形式，它真實(shí)完整地反映了建筑物保存現(xiàn)狀，清晰準(zhǔn)確地表現(xiàn)了建筑物的結(jié)構(gòu)，且基于點(diǎn)云繪制的建筑圖尺寸更加準(zhǔn)確，對(duì)一些曲線結(jié)構(gòu)形式也能夠更加方便準(zhǔn)確地測繪。另外如圖7所示，也可以直接對(duì)賦色的點(diǎn)云進(jìn)行標(biāo)注出圖，在有些應(yīng)用方面能夠更加直觀地反映建筑情況。

圖4 建筑立面圖

圖5 建筑平面圖

圖6 建筑剖面圖

圖7 點(diǎn)云賦色標(biāo)注出圖

2.4 三維仿真建模

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)建筑進(jìn)行三維仿真建模，利用軟件提供的繪圖工具繪制建筑表面輪廓線，分析和制作建筑的主體幾何結(jié)構(gòu)，從而搭建建筑幾何模型（圖8），已繪制完成的建筑平、立、剖面圖也可直接用于三維仿真建模。后續(xù)將幾何模型導(dǎo)入3dsMax等專業(yè)建模軟件中對(duì)模型進(jìn)一步細(xì)化和完善，并賦予紋理貼圖，制作建筑精細(xì)模型（圖9），不但作為數(shù)字化存檔，并能夠結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽與展示。

圖8 基于點(diǎn)云繪制的立體模型

圖9 建筑精細(xì)三維模型

3 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)在獲取三維數(shù)據(jù)方面有著無可比擬的優(yōu)越性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維仿真建模，繪制其平立剖現(xiàn)狀圖紙，實(shí)現(xiàn)歷史建筑的數(shù)字化存檔，為歷史建筑的保護(hù)、修復(fù)和改造等工作提供了詳實(shí)的資料。后續(xù)還可以通過將建筑的三維掃描模型與設(shè)計(jì)BIM模型比對(duì)，能夠快速發(fā)現(xiàn)改造前后的不同，從而在對(duì)舊建筑保護(hù)的基礎(chǔ)上修正BIM模型，完成最合理的改造設(shè)計(jì)。

[1] 劉宇． 歷史建筑的保護(hù)與再利用[J]． 科技信息,2011(35):195-196

[2] 王其亨，吳蔥，白成軍． 古建筑測繪[M]． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006

[3] Mody F K, Hale A H． Borehole Stability Model to Couple the Mechanics and Chemistry of Drilling-fluid/Shale Interactions [J]．J Petrol Tech， 1993：1 093-1 101

[4] 周立，李明，毛晨佳，等． 三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測繪中的應(yīng)用[J]． 上海建設(shè)科技，2011(4)：47-48

[5] 余明，丁辰，過靜珺． 激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測繪的研究[J]． 測繪科學(xué)，2004，29(5)：69-70

[6] 丁寧，王倩，陳明九． 基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望[J]． 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25(3)：275-276

P234

B

1672-4623（2014）05-0116-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.042

王苑楠，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿z影測量、激光掃描和三維仿真技術(shù)。

2013-11-18。