三維激光掃描技術在古墓測繪中的應用

吳吉賢，徐曉峰，杜海燕

(1. 燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司， 北京 100001; 3. 輝固地球數據(秦皇島)有限公司，河北 秦皇島 066004)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術在古墓測繪中的應用

吳吉賢1，徐曉峰2，杜海燕3

(1. 燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004； 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司， 北京 100001; 3. 輝固地球數據(秦皇島)有限公司，河北 秦皇島 066004)

古建筑物的保護或復原工作尤為重要。古建筑保護復原的基本工作是通過建筑物的尺寸、位置、相對關系等關鍵數據繪制建筑物圖集。建筑測繪是獲取數據的必要手段，也是研究中國古建筑歷史和建筑理論的輔助措施。古建筑物測繪就是借助既有的測量儀器，使用規定的測量方法，測量獲取建筑物構件的尺寸和拓撲數據，進而繪制相關圖紙并撰寫測繪技術報告，即綜合運用測量和繪圖技術來記錄和表達古代建筑。

1 古建筑測繪方法

隨著現代科學技術的迅速發展和測繪儀器的更新換代，古建筑測繪方法更加多樣化，且不同方法對應的測量精度也各不相同。傳統的測繪方法是以直尺、角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸，獲取的最終資料是圖樣(即圖紙)和一些文字記錄。傳統測繪方法主要以少數合理選擇的特征點替代建筑物整體，通過獲取特征點的屬性數據，進一步繪制出建筑圖紙。張文江等使用經緯儀對建筑物進行了無損測繪;廖小輝等證明了全站儀在古建筑測繪中的可行性;張為成等使用全站儀結合數碼相機繪制了建筑立面圖。以上方法均以特征點為基礎進行測繪，特征點的優劣直接影響最終建筑物圖紙的精度，且其選擇主要依靠測繪工程師的個人經驗和臨場判斷能力，具有較大的不確定性。隨著激光技術的革新，三維激光掃描技術的應用更加廣泛，通過三維激光掃描儀，將現實場景以三維激光點云的形式存儲與再現，實現了從單點測量到面狀測量、從平面測量到立體測量的轉變。三維激光掃描技術是通過拼接、去噪等預處理的點云數據，將繪制古建筑測量系統和無合作對象的激光測距系統組合在一起的一種快速測量系統。其以高密度、高精度的點云數據代替傳統測繪單點測建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型，具體操作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術古建筑測繪流程

2 三維激光掃描案例

2.1 測區概況

測區坐落于河北省保定市曲陽縣南15 km、羊平鎮田莊村東的田莊墓葬，坐北朝南，長66 m，封土為直徑34 m的圓形。入口至地表落差約2 m，最深處距地表約8 m。地下結構復雜，總墓室數為12個，全部為青磚砌筑。墓葬開挖土壙面積達675 m2。

2.2 技術方案及作業

項目選用Trimble TX5三維靜態掃描儀作為主要測量儀器。由于田莊古墓結構復雜，死角較多，基于對成圖精度和古墓完整性的考慮，通過現場踏勘，最終確定測站點22個(如圖2所示)。比較不同作業模式下儀器測量的精度，數據點云拼接模式選用有標靶和無目標配準兩種模式。每一站單獨獲取點云數據，無目標模式下點云采用絕對坐標模式，有標靶模式則為相對坐標模式。測量外業共耗時3 h。外業作業完成后，采用Trimble 3D靜態激光掃描儀后處理軟件RealWorks，在無目標配準下，22站測量數據拼接成功共花費25 min，拼接精度為4.3 mm，并生成配準報告；有標靶配準狀態下，點云拼接耗時5 min，精度為1.9 mm，并生成配準報告(如圖3所示)。

圖2 三維激光掃描測站點分布

圖3 TC001號點配準報告(有標靶)

2.3 數據成果展示

三維激光掃描后處理軟件在彩色點云數據基礎上，結合內置高像素全景相片可以生成渲染圖、等高線圖、任意方向的剖面圖，以及以三角網為基礎的三維模型圖，借助于3ds Max等專業建模軟件，還可以將殘缺部分復原，如圖4所示。以上功能為古建筑物保護提供可靠、準確的數據，且精度較高。

圖4 三維激光掃描數據成果展示

因此，三維激光掃描技術應用于古墓保護測繪，作業模式較傳統模式方便、快捷，大大降低了勞動強度，測量精度高，模型化精度高且精度均勻，可全天候進行測繪工作。后期數據處理后，以彩色點云為基礎，可生成滿足各種需求的生產用圖。通過此方法，可分類建立建筑物三維點云數據庫管理系統，實現古建筑物測繪數據庫的多維度利用，如建筑物平面圖、立面圖、剖面圖的重建，建筑物變形觀測，建筑物局部區域特征細節刻畫，建筑物損壞部位的恢復等。

3 結束語

本文使用Trimble TX5三維激光掃描儀對田莊古墓進行了測繪復原工作。該方法操作方便，工作效率高，可全天候作業，無接觸測量模式對建筑物零損壞，克服了傳統測繪作業勞動強度大、外業操作復雜、難以表達復雜建筑物等缺點。測量成果經后期處理，可生成各種圖紙，滿足不同層次、不同類別工程技術人員的需求。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)

國家自然科學基金青年基金(51308486)

吳吉賢(1981—)，男，碩士生，講師，主要從事土木工程測量方面的科研教學工作。E-mail: wjx44@163.com