基于三維激光掃描技術的歷史建筑建檔保護研究

王順 趙志根

摘? 要：古建筑是歷史的見證和文化的載體，城市建設理念上的差異以及城市建設進程的不斷加快，使古建筑正在遭受不同程度的破壞，古建筑建檔保護困難的問題亟待解決。文章以浙江桐廬某歷史建筑為例，研究了采用三維激光掃描技術保護古建筑建檔的原理、方法、優勢。通過點云切片，繪制平、立、剖面以及典型圖案建筑現狀測繪圖，為古建筑建檔保護提供一種全新的途徑和方法。

關鍵詞：三維激光掃描技術;三維建模;建筑現狀測繪圖;建檔保護

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）19-0001-06

Research on the Archiving and Conservation of Historical Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

WANG Shun， ZHAO Zhigen

（School of Spatial Information and Surveying and Mapping Engineering， Anhui University of Science & Technology， Huainan? 232001， China）

Abstract： Ancient buildings are the witness of history and the carrier of culture. The differences in urban construction concepts and the accelerating process of urban construction make ancient buildings being damaged to varying degrees. The problem of difficult archiving and conservation of ancient buildings needs to be solved urgently. Taking a historical building in Tonglu in Zhejiang Province as an example， this paper studies the principle， method and advantages of 3D laser scanning technology for the archival conservation of ancient buildings. Through point cloud slicing， the building status mapping with plane， vertical， section and typical patterns are drawn， which provides a new way and method for the archiving and conservation of ancient buildings.

Keywords： 3D laser scanning technology; 3D modeling; building status mapping; archiving and conservation

0? 引? 言

隨著科學技術的快速發展以及測量儀器的更新換代，測繪技術經歷了從手工測繪到數字化、信息化測繪的轉變，未來將會朝著智能化的方向快速發展。三維激光掃描技術又被稱為“實景復制技術”，它是近些發展起來的一項高新技術，突破了傳統單點測量的局限性，具有非接觸、全自動、高精度、高效率的獨特優勢。扭轉了以往在測繪古建筑基本信息過程中需要耗費大量的人力、物力，并且受天氣等外界因素影響的弊端。目前，全站儀、普通鋼尺是主要的人工測量工具，然而，三維激光掃描技術的日趨成熟，使其逐漸被廣泛應用于城市地圖測繪、文物保護、形變量檢測等領域。隨著數字城市和智慧城市[1]的不斷發展，二維數據因其自身的局限性而無法滿足人們的應用需求。相對于二維模型，三維模型可以更真實地還原目標物全貌。

三維數據具有形象性、直觀性、可視性的特點，這使得三維可視化建模技術的研究熱度高居不下。因此，對三維重建技術進行深入的研究具有重要的理論與現實意義[2]。在地籍測繪領域，古建筑建檔[3]保護是重中之重，其中點云數據是三維重建中最主要的數據源，為此獲取高精度的點云以及合理選擇處理點云的方法是極其重要的。為了更詳盡地向人們展示古建筑的結構類型，繪制古建筑二維圖、三維模型圖是必不可少的環節。在現有三維模型展示方法的基礎上，制作一個獨立的古建筑可視化網頁，通過對比分析網頁的優勢性，證明這種方法是極其有效的。

1? 三維激光掃描技術概況

1.1? 總體技術路線

本文以浙江桐廬某祠堂建筑測繪建檔項目為例，首先，通過三維激光掃描儀和相機采集獲取該建筑的原始外業數據;其次，對外業數據進行檢查，后進行內業處理，主要包括多站式點云數據的配準與拼接、點云的融合與建模、點云切片、點云精度檢查等;最后，按照比例繪制平面、立面、剖面、大樣圖等二維現狀圖[4]，這樣能夠真實地反映出該建筑的建筑布局和特色，旨在更好地展示古建筑所承載的歷史和文化[5]。三維激光掃描技術路線圖如圖1所示。

1.2? 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術是通過激光探測回波技術來記錄激光發射和反射接收的時間差，當激光接收器接收到返回的激光波，并以回波的能量足以觸發閾值時，激光掃描儀計算出掃描中心與目標物之間的距離，同時測量激光發射時每個激光脈沖橫向掃描角度值A和縱向掃描角度值B，L代表坐標原點與監測點之間的距離。三維激光掃描原理圖如圖2所示，獲取三維坐標信息后可以根據式（1）求得距離L。

2? 三維模型的建立

2.1? 外業數據采集

本文選用FARO FOCUS350s掃描儀，將三維激光掃描儀架設在已知的控制點上，確定儀器與建筑物之間無明顯的遮擋，打開儀器電源，對中，整平。掃描建筑物本體之前須設定掃描分辨率，為了得到高精度的掃描結果，掃描分辨率設為1/5，粒子質量設為3x。根據前期準備工作中規劃好的掃描路線，逐站架設三維激光掃描儀進行掃描，直至成功獲取所有站的點云數據為止。相鄰測站間的距離宜保持在10 m左右，點距離之間的誤差控制在10 mm以內，保證相鄰測站間的點云重疊度在30%以上。

2.2? 內業數據處理

內業數據處理主要包括點云預處理、點云拼接、點云去噪、點云著色等。處理軟件為FARO自帶軟件scene。通過將獲取的點云分組成集群，采用相鄰兩站點云數據的俯視圖和側視圖相匹配的方式進行點云配準，獲取單站點云圖如圖3所示。點云配準是將不同視角下采集的點云數據統一到同一坐標系下，將目標物體的坐標轉換為絕對坐標的配準，不斷調整二次抽樣參數，對配準完成后的點云進行調整，直至消除分層。配準完成后的三維點云圖如圖4所示。

2.3? 點云數據配準質量檢查

2.3.1? 精度報告分析

配準后的質量檢查是數據配準的重要過程。使用SCENE軟件不斷更換迭代次數，獲取不同的精度報告，數據處理前設定某一站為參考掃描，在精度報告中，得到各掃描站位的最大點錯誤、中點錯誤，即為各掃描站位與起始參考掃描的偏移值。各掃描點配準后點云精度如表1所示。

根據《地面三維激光掃描作業技術流程》要求，點云經度及技術指標都應該遵循一等作業要求。由點云精度報告統計各掃描點，得到該建筑最大點錯誤為4.1 mm，最大點錯誤圖如圖5所示。中點錯誤為1.7 mm，中點錯誤圖如圖6所示。最小重疊度為29%，控制整體點云測量精度在10 mm以內，點云中誤差在1.5 cm以內，以上測量計算結果均滿足掃描精度和規范的要求，表示掃描方法及處理結果均符合要求[6]。傳統全站儀應用免棱鏡測量精度約為3～5 cm，無人機測量精度約為5～10 cm，由此可見，三維激光掃描可以替代全站儀和無人機作業，其在數據獲取精度、數據采集效率上具有很大的優勢，可應用于更多的建筑立面采集和繪制工作中。

2.3.2? 總覽圖分析

點云配準很容易受對稱、類似房間的影響，為了防止建筑物配準后發生錯層偏差、結構偏移，則需要檢查建筑總覽圖。配準后點云總覽圖如圖7所示。

圖7中的各個圓點代表儀器架站位置，對比檢查沒有錯誤。實驗點云配準后建筑總覽圖沒有出現錯層、離析現象，建筑外墻和內墻均沒有出現彎曲、界限分明，建筑輪廓清晰，結果表明配準精度較高。

3? 繪制建筑現狀測繪圖及典型圖案

3.1? 點云切片

使用SCENE軟件對點云進行切片。點云切片是為了更好地觀察歷史建筑的內部布局和結構，便于計算機軟件平面圖、立面圖的繪制。建筑圖一般是按照正投影的方式進行繪制，所以切片時要保證處于水平、垂直方向。切片位置以最能反映房間布局為宜，基準面選取較為平整的地面，作為切片的參考平面。點云切片圖如圖8所示。

3.2? 繪制平、立、剖面及梁枋現狀測繪圖

本次繪制建筑測繪圖所使用的軟件為AutoCAD 2020，基于所獲取的古建筑點云數據模型，通過該軟件可以得到建筑的結構、做法、平面形狀和大小、門窗具體位置和尺寸等。通過配準后的位置信息可以使得該建筑平整、對稱，對其進行測量可以確保測量數據的真實性和準確性。繪制出對應建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖等，可為古建筑后期的修繕和保護工作提供便利。繪制圖形時，先確定定位軸線，基于定位軸線繪制梁、柱等結構構件，再繪制門窗、洞口、屋面等非結構構件，以完整表達建筑的結構和布局。平面現狀測繪圖如圖9所示。

繪制要求：標高及標注局部尺寸，標示門窗的形狀、位置及開啟方向;標示窗臺、雨篷、陽臺、臺階、外墻面勒腳等的形狀和位置;注明各部分的材料以及外部裝飾的做法等。選取建筑內部層高、層數不同、內外空間比較復雜的部位繪制剖面圖。軸立面現狀測繪圖如圖10所示。

該建筑屋頂呈兩坡硬山頂形式，屋脊位于正中，起坡和緩，平面為矩形。建筑外墻均采用小青瓦鋪貼，前廳山墻設觀音兜封火墻，正廳山墻設馬頭墻，均采用小青瓦墻帽，正面為小青瓦疊脊，屋面保存良好。屋頂現狀測繪圖如圖11所示。

繪制要求：對局部尺寸進行標高，如窗、洞口高度、室內外高差、女兒墻高度、總高度;內部尺寸：地坑（溝）深度、隔斷、內窗、洞口。1-1剖面現狀測繪圖如圖12所示。

3.3? 梁枋現狀測繪圖繪制

繪制要求：應著重繪制可展現建筑歷史和地方特色的構造、裝飾、材料，并采用文字標注。梁枋現狀測繪圖如圖13所示。

3.4? 針對典型圖案繪制

雕刻紋飾是古建筑中不可或缺的一部分，它賦予建筑造型以生動的形象，并融于整體建筑之中。在古建筑群中，最具特色的要數房屋上的一些雕刻圖案，這些圖案最具象征意義。繪制要求：體現古建筑結構特色和建筑風格，須畫出部分典型圖案。牛腿現狀測繪圖如圖14所示。

4? 建檔保護

4.1? 建檔保護的規范要求

下面介紹建檔圖紙的繪制要求：

（1）每處古建筑都應該細分到每個村，將每個村依次再劃為一個整體，由小及大。所有建筑的文件格式為“具體地址-歷史建筑編號-歷史建筑名稱-成果完成具體時間”，建筑編號和名稱應與國家歷史建筑名錄保持一致。

（2）建筑測繪圖紙的繪制應符合國家標準。每處建筑的平面圖、立面圖、剖面圖、大樣圖等都應該放置在同一個文件夾中，圖紙命名和編號應與國家歷史建筑名錄保持一致。圖紙應按順序編號，并嚴格按照要求的比例繪制圖形。

4.2? 建檔保護的成果

下面給出了建檔成果保護要求：

（1）按照《歷史建筑檔案表》的統一要求進行文物檔案的整理工作，應形成“一棟一冊”的建筑保護圖則，同一地區建筑要登記入籍，就地保護[7-10]。

（2）制作圖則時內容包括測繪報告、測繪照片、測繪圖紙。測繪報告中包括目標概況、歷史沿革、現狀調查、歷史建筑概況記錄表;測繪照片包括三維激光掃描、相機拍攝、傾斜攝影、牛腿及梁枋細部構造等照片;測繪圖紙包括平面、立面、剖面、大樣圖等現狀測繪圖，同時圖簽中應包含建筑名稱、項目名稱、測繪單位、項目編號、審定、審核、項目負責人、測量人員、繪圖人員、校對、圖名、圖號、日期，以及相關的文字說明[11，12]。

5? 結? 論

綜上所述，本文結合實際案例，在古建筑建檔保護中結合當下高速發展的三維激光掃描技術，基于其非接觸、高效率、高精度的優勢，使三維建模技術完全克服了傳統測繪中周期長、成本高、真實性差等缺陷。通過三維激光掃描儀獲取大量的點云數據，對點云進行一系列處理后，可快速模擬出建筑的三維模型，從而繪制出二維測繪現狀圖。這與傳統測繪技術相比，極大地提高了工作人員的工作效率和測量精度，并且因其具有非接觸的優勢，從而避免了對歷史建筑的二次損害。

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作者簡介：王順（1995.07—），男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生在讀，研究方向：攝影測量與遙感技術;趙志根（1968.08—），男，漢族，浙江金華人，教授，博士生導師，博士，主要研究方向：煤地質學、煤礦地質、地質災害評價與防治等方面的教學與研究。