三維激光掃描技術在石寶寨測繪中的應用

哈志強，袁兵，林文修，劉保全，李康

（重慶市建筑科學研究院，重慶 400016）

0 引言

三維激光掃描技術是近些年來發展興起的新測繪技術，它通過測距激光掃描被測物體，獲取目標的空間三維數據。作為BIM技術在建筑全生命周期的模型信息化管理過程當中的一環，三維掃描技術對應用于既有建筑的逆向設計過程提供了可視化的建筑信息模型，并根據掃描點云數據轉化為多項成果應用。該測繪技術對BIM可視化管理平臺可提供完整和精細的建筑物信息化數字模型，本文針對歷史建筑石寶寨的測繪來說明三維掃描技術在古建筑測繪當中的實際應用。

1 工程概況

石寶寨位于重慶市忠縣境內，倚建在玉印山東南崖壁的西南端，建筑只有西、東、南三個立面。寨樓共分十二層樓閣，高達45m，總建筑面積429.5m2。該寨樓為自下而上樓層面積逐漸減小的塔式建筑（圖1），同時每個樓層間木柱數量多，間隙小，對三維掃描操作帶來較大的難度。

石寶寨寨樓的主要特點以及三維掃描操作的難點如下：

（1）寨樓自下而上樓層面積減小，底層平面面積相對較大，頂層樓層空間十分狹小，掃描作業時層數越高架站可用空間越??；

（2）寨樓低層的木柱間距緊密，視線遮擋較多，對掃描作業和布站干擾較大；

（3）寨樓樓層越向上樓梯出入口空間越小，對跨層掃描作業和后期點云模型拼接造成困難越大。

2 布站選點方案

石寶寨寨樓共12層，室內可掃描的層數為11層，室外掃描范圍主要包括一層大門附近，6層外側走廊，以及10層外側面，同時包括步行至寨樓的江邊走廊。

石寶寨寨樓室內外布站位置如下。

（1）江邊走廊，廣場及大門附近布站位置（圖2）

圖1 石寶寨寨樓自下而上建筑特點示意

在對寨樓可視范圍內，一層4站的擺放可保證每站之間直線距離不超過50m，因此靶球的擺放可使得儀器位置與靶球距離在20m以內，同時，對寨樓的正立面以及兩個側立面部分進行整體的掃描。

（2）室內站點布置

室內由于木柱的遮擋，視線不可達到整區域位置，因此，儀器的擺放盡量使得各站點之間聯系成為整體。同時靶球的擺放主要為方便兩站之間的拼接，在符合擺放原則的基礎上，適當增加靶球，目的是為了在后期拼接過程保證精度的要求。

（3）樓梯上下連接布站

考慮到石寶寨寨樓特點，在越往上頂層的位置，樓梯間空間減小，使得儀器和靶球的擺放局限增大，難度加大，因此在布站時盡可能結合樓梯上下可擺放儀器位置的空間以及拼接靶球的擺放可視性（圖3）。

圖3 樓梯間儀器和靶球擺放位置

3 點云后處理操作

石寶寨作業操作歷時2天半，掃描原始數據大小為7.5G，經過法如SCENE軟件釋放過后存儲量為63.8G。該容量為掃描數據和掃描圖片的大小，不包括后處理完成后的點云模型、web2go以及正攝影像圖數據。后處理完成的數據量所占空間龐大，對電腦性能及存儲空間的要求非常大。

4 點云成果轉化

在點云模型操作完成后，操作法如SCENE軟件自帶插件，創建正攝影像圖，創建后的圖形為1:1實際大小的圖片，可直接用于工程應用。

將正攝影像圖插入CAD軟件進行描圖，描圖的精度高低和操作人員的軟件操作水平有一定關系，但整體誤差可控制在毫米級。以下為本次石寶寨三層平面繪制的CAD圖形示例（圖4）。

圖4 點云成果轉換形成的二維線畫圖

5 結語

BIM全生命周期管理平臺對既有建筑的逆向設計，現階段多依靠于傳統測繪手段，傳統手工測繪對于大部分建筑一般只需要皮卷尺、鋼卷尺、卡尺或軟尺以及激光測距儀進行測繪。這種測繪方式需大量的人力物力資源，花費時間較長，同時對于古建筑的屋頂和雕飾等關鍵部位不易進行數據采集，且人與建筑物接觸對建筑本身易造成損壞。

三維激光掃描技術可對上述傳統手工測繪大部分弊端予以彌補，更省時省力，方便快捷?？梢詾锽IM技術對既有建筑的逆向設計過程提供完整和精確的數字化信息模型。

需要指出的是，當前三維激光掃描技術尚無法完全代替手工測繪，只是從便捷程度、保護建筑本身、精確程度方面有很大的改善，由于掃描作業不可避免會受人為和外界干擾，以及建筑物本身特點所決定的掃描精度部分仍無法完全滿足要求，同時掃描數據在經過后處理以后形成的數據量非常龐大，對電腦性能及存儲空間都有很大的要求。因此，采用三維激光掃描技術，可使BIM平臺中既有建筑和古建筑的逆向設計更精細，并使之得以全面和快捷方便地推廣應用，但依然存在較多需要解決的課題。