三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用分析

葉曉婷

(寧波市測繪設計研究院,浙江寧波 315042)

三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用分析

葉曉婷?

(寧波市測繪設計研究院,浙江寧波 315042)

通過對三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用研究,簡要闡述了其技術流程,并結合案例分析了在古建筑保護應用中的精度、效率及存在的問題。試驗結果表明:該技術能滿足古建筑測繪成果制作的要求,總結出了該技術與傳統在不同古建筑測繪中各自的優勢,對古建筑測繪具有一定的借鑒意義。

三維激光掃描;點云精度;古建筑測繪

1 引 言

古建筑是歷史文化的延續,展現著某一地區發展過程中的一些斷面,為了給古建筑保護提供準確而又翔實的資料,需要對其展開精細化測繪,獲取古建筑的形狀、大小和空間位置,并以此為基礎繪制平面圖、立面圖和剖面圖等[1,2]。傳統古建筑測繪一般采用全站儀、卷尺等工具進行人工測量,這種方式不僅費時費力、精度低,而且因屬于接觸式測繪,可能對文物造成二次破壞。20世紀80年代后逐步興起的三維激光掃描技術,因其掃描速度快、安全、無接觸,且獲取的點云數據精度高、密度大等特點,給古建筑測繪工作帶來新的途徑[3～8]。隨著研究的深入,三維激光技術用于古建測繪的可行性已被多次論證,但其測繪精度、不足及與傳統方法相比的測繪效率等內容,則研究較少。為此,本文以寧波慈城清道觀古建測繪為例,通過傳統方法及三維激光掃描兩種方式分別獲取數據并進行處理,著重分析了三維激光掃描方式在古建測繪中的精度、效率及不足。

2 案 例

位于寧波市江北區的慈城,是江南極少數保存較為完好的古鎮,保存了大量的古建筑群,如孔廟、會館等,為寧波市最高等級的文化遺產項目。本文選取建于唐天寶年間的清道觀主殿為對象,同時采用三維激光掃描技術和傳統測量技術進行測繪。

2.1 準備工作

三維激光掃描之前需要對測區進行踏勘并收集資料,掌握測量的重點要點,確保測量工作的順利開展。同時,根據測區的特點和項目精度要求,對架設掃描儀的精確位置予以詳細規定,原則上要保障掃描設站數最小、掃描內容和范圍最大、冗余數據最小、靶標設置最合理、影像成像最清晰。

2.2 測繪方法

一般而言,采用地面三維激光掃描技術對古建筑進行掃描時,需要分站架設從而獲取古建筑內外部的點云數據,然后拼接、去噪等步驟獲得預處理后的點云數據,在此基礎上繪制古建筑的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型,應用流程如圖1所示:

(1)三維激光掃描

①控制測量:本實驗采用后視定向的方法來拼接點云,因此,需要對掃描站點進行控制測量,該測量按照1∶500地形圖測量圖根點要求進行。

②點云獲取:將激光掃描儀及后視靶標球分別架設在測站點和后視點上,依次獲取古建筑內、外部的點云數據;

③影像獲取:本項目中采用的是RIEGL VZ-400激光掃描儀,能夠在單站點云掃描完成后自動獲取影像。此外,還需要對建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照,以便給古建筑三維模型提供紋理信息。

(2)數據預處理

點云數據的預處理包括噪聲點及冗余數據的剔除、點云拼接及點云賦色等內容。由于掃描儀自身原因會產生一定的噪聲點,同時還需要剔除與古建測繪無關區域的點云數據。通過配準,將外業掃描獲取的單站數據歸至同一坐標系下,合為一個測區的整體點云成果;再通過與點云配準后的影像給點云賦色等內容即完成了點云數據的預處理。

(3)數據成果制作

目前古建筑保護需要應用到的資料有平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型等。其中,平、立、剖面圖采用PointCloud軟件通過特征點、線、面的采集和編輯等來完成(如圖2～圖5所示);三維模型主要采用Geomagic軟件提供相關工具,并對獲取的點云數據進行自動拼接,影像匹配也由該軟件自動匹配。分析和制作建筑的主體幾何結構,從而搭建建筑幾何模型,然后將模型導入3ds Max軟件中完成紋理貼圖,即可獲得古建筑的精細三維模型(如圖6、圖7所示)。其中,個別古建筑區域有存在點云空洞,采用Geomagic軟件功能填補,其主要原理是通過空洞周圍的點進行線性或曲面的插值來填補空洞。

圖2 建筑立面圖

圖3 建筑一層平面圖

圖4 建筑二層平面圖

圖5 建筑剖面圖

圖6 基于點云繪制的精細三維模型

圖7 建筑部件三維大樣

3 案例與分析

3.1 數據分析

從外業數據采集情況來看,利用RIEGL VZ-400采集的激光點云數據密度大,能清晰地反映掃描對象的特征,從而滿足制作平面圖、立面圖等成果的需要,但同時也存在掃描死角。主要有兩方面的原因:①掃描儀自身存在一個掃描范圍夾角,如本文使用的RIEGL VZ-400掃描儀在垂直方向上的30°～130°,而古建筑往往建有多重屋檐、天井、小隔間等,空間局促,因而,易留下掃描死角;②掃描對象被遮擋,這種現象在古建筑掃描的時有出現,比如外圍墻被雜草遮擋,內屋頂被隔板遮擋等。

3.2 精度分析

三維激光掃描儀單站掃描精度能達到毫米級,但本文是通過后視靶標球定向的方法來完成各測站點云到絕對坐標系的轉換。測站及后視點的絕對坐標采用網絡RTK與全站儀測量方式獲得。本文對案例中建筑物主要特征點的平面位置精度(中誤差)進行了檢查,如表1所示。

從表中可以看出,利用VZ-400掃描儀獲取的建筑物主要特征點的平面中誤差為±0.064 m,滿足古建筑測繪的精度要求。三維激光點云及其成果的數學精度主要受三方面的影響,首先是掃描儀的測角和測距精度等儀器精度影響,其次是控制測量精度,最后是點云數據拼接、配準等數據處理的誤差影響。一般情況下掃描儀自身測量精度可達到毫米級,對點云成果精度的影響可忽略不計,點云成果絕對精度主要取決于控制測量精度;因此,可以采用提高控制測量的等級,同時,在掃描測站之間采用公共標靶的方式拼接點云以減少控制測量點的方法來提高激光點云的絕對精度。

3.3 效率分析

本文通過與傳統人工測繪方式的比較,統計了基于三維及激光掃描方式的測量效率統計,如表2所示:

表2 以案例四為例激光數字化測量技術與傳統測量技術對比

從表2可以看出,基于三維激光掃描數字化測量技術的總工作量為78人工天,基于傳統手工測量技術的總工作量為85人工天。前者外業工作大為減少,后者內業處理略微減少。但從人員構成和軟件成熟度來看,前者效率提高的空間要遠遠大于后者。

基于三維激光掃描的古建筑數字重建和基于傳統手工測量技術的古建筑測繪兩種技術優劣性不是絕對的,會隨著測繪對象的不同而變化。導致這種現象的原因是測繪對象的復雜度。如果我們把建筑空間局促、低矮破敗、不規則、成片相連、內部陳設多而雜亂、斗拱等木結構復雜視為建筑復雜度高,相反,建筑高大、內部空曠、陳設少而有序、獨立成棟、斗拱等木結構簡單視為建筑復雜度低。

4 結 語

本文闡述了三維激光掃描技術應用于古建筑保護的技術流程,并以寧波慈城清道觀為基礎,分析了該技術獲取的點云數據的精度、效率以及在實際古建筑測繪中存在的問題。通過驗證,三維激光掃描技術能很好地應用于古建筑的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型制作中,且精度滿足古建測繪要求,此外,還總結出了該技術與傳統在不同古建筑測繪中各自的優勢,對古建筑測繪具有一定的借鑒意義。

[1] 王莫.三維激光掃描技術在故宮古建筑測繪中的應用研究[J].故宮博物院院刊,2011(6):143～156.

[2] Mody F K,Hale A H.Borehole stability model to couple the mechanics and chemistry of drilling-fluid/shale interactions [J].J Petrol Tech,1993,1093:1101.

[3] 周立,李明,毛晨佳等.三維激光掃描技術在古建筑修繕測繪中的應用[J].上海建設科技,2011(4):47～48.

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

[6] 丁寧,王倩,陳明九.基于三維激光掃描技術的古建保護分析與展望[J].山東建筑大學學報,2010,25(3):275～276.

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[8] 龔衛光,龔建江.RIEGL三維激光掃描技術應用于卡拉水電站壩址區的三維紋理模型制作[J].大壩與安全, 2010,4:40～42.

Application of 3D Laser Scanning Technology in Historical Buildings Surveying

Ye Xiaoting
(Ningbo Institute of Surveying and Mapping,Ningbo 315042,China)

Based on 3D laser scanning technology in ancient building protection application research,briefly describes the technology process,and analyzes the application of technology in the protection of ancient buildings in the accuracy,efficiency and the existing problems.Experimental results show that the technology can meet the requirements of historical buildings surveying,and summarizes the technology and traditional in different ancient buildings surveying in their respective advantages,which has certain reference to ancient building surveying.

3D laser scanning;point cloud accuracy;ancient building surveying

2014—05—05

葉曉婷(1965—),女,高級工程師,研究方向為攝影測量與遙感、激光掃描技術。

國家自然科學基金資助項目(40971192),該項目獲得2013年度全國測繪科技進步獎一等獎。