三維激光掃描技術在古建筑測繪繪圖中應用＊

周美川

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅蘭州 730050）

隨著經濟發展和社會進步，我國越來越重視對古建筑保護和傳承。每一座古建筑都是藝術珍品，古建筑一般有臺基、木頭圓柱、梁、斗拱、彩畫、屋頂、山墻、藻井等構件組成。古建筑的修復、保護和傳承的最基礎工作就是對既有古建筑的測繪。傳統的古建筑測繪，使用鋼尺、測距儀、水準儀等工具進行測量，同時繪制草圖，然后根據草圖，使用CAD 繪制建筑圖。由于古建筑構件造型和結構復雜，傳統的測繪方法需要借助腳手架、梯子等費時費力、測量精度差、效率低；而且對于古建筑的重要信息如斗拱、彩畫、藻井等難以測量記錄，容易產生測量遺漏、信息不全，需返工測量。

三維激光掃描儀技術是指利用激光測距的原理，密集的記錄目標物體的表面三維坐標、反射率和紋理信息，對空間進行真實的三維記錄，瞬時測得空間三維坐標值的儀器。它具有采樣點速率高、非接觸式測量、自動化等特點。在古建筑測繪時，采用三維激光掃描儀技術可準確的記錄古建筑的點云信息，再將點云導入CAD，繪制建筑圖，速度快、精度高、信息全。

1 三維激光掃描技術的基本原理

三維激光掃描儀的具體工作原理是由激光發射器主動發出一個激光脈沖信號，再由均勻旋轉的反射棱鏡引導至物體表面點，信號經物體表面反射后由接收器接收，通過測定信號的傳播時間，計算測點與掃描儀的距離S，同時角度編碼器同步記錄旋轉反射棱鏡縱向測量角度和掃描儀水平旋轉角度（如圖1 所示），由此便可計算出目標點三維坐標值(x，y，z)。

圖1 三維激光掃描儀三維坐標計算方法

三維激光掃描儀技術對古建筑進行掃描，得到海量采樣點的集合，稱為點云。點云通常包括了三維坐標（XYZ）、激光反射強度（Intensity）和顏色信息（RGB），可精確反映古建筑實地實物的尺寸、反射率和顏色等數據，制作建筑數字模型和繪制建筑圖。

2 三維激光掃描技術在古建筑繪圖工作實踐應用

本次古建筑測繪實踐以某古建筑為測繪對象，采用廣州思拓力測繪科技有限公司的三維激光掃描儀X300，是基于飛行時間差的脈沖式激光掃描儀，其掃描速度約為40000p/s，最大掃描距離理論值300m；測距精度為50m 以內，中誤差小于5mm，300m 以內，中誤差小于30mm；掃描視場為水平360度，垂直180 度；內置1070 萬像素專業數碼相機,8660 萬像素（環幕）,專業定焦相機；隨機點云處理軟件為Si-Scan。

1）X300 三維激光掃描儀外業準備。測量人員2人，三維掃描儀X300 一臺、三腳架一個、智能手機（平板電腦或者其他的有連接WIFI 功能的設備）一部，同時了解古建筑的具體實際情況，設計掃描路線，盡量用較少的測站，盡量的減少工作量，提高工作效率，減少因為測站的架設和拼接帶來的系統誤差。

2）三維激光掃描儀測站架設。首先根據掃描路線的確定的測站位置，安置儀器，安裝三維激光掃描儀基座，并對中整平，確保儀器架設好之后，圓水準氣泡居中。測站架設位置選取應注意高度和掃描范圍合理，當地面為土質時，將架腿踩實，防止腳架沉降；同時防止由于車輛等因素引起的地面滑動、震動等現象。

3）數據采集。由于受到物體遮擋、掃描視角限制等干擾，數據采集時應對測量目標多方位設站掃描采集數據。如本次測繪實踐采集古建筑正立面時采用左、中、右，三個方位設站掃描采集數據，為方便后期點云拼接，數據采集前設置紙質標靶5 個，如圖2 所示。

圖2 掃描采集的點云信息

4）數據處理。本次測繪實踐采用了以廣州思拓力測繪科技有限公司的三維激光掃描儀X300 自帶的數據后處理軟件Si-Scan。Si-Scan 數據處理步驟為導入測站數據、數據預處理、數據拼接、去噪和點云數據導出。本次測繪實踐把導出的TXT 格式的點云數據導入AutoCADReCap 創建一個點云投影文件(RCP)，RCP 格式文件就可以被AutoCAD 和及其他Autodesk 應用程序使用，如Autodesk Revi 軟件。

5）古建筑CAD 建筑圖繪制。本次測繪實踐由Si-Scan 軟件導出TXT 格式的點云數據，導入Auto-CADReCap 創建一個點云投影文件(RCP)；然后把RCP 格式文件通過點云附著插入T20 天正建筑軟件，選擇俯視圖，旋轉點云使建筑物外輪廓水平和豎直；最后依據點云繪制CAD 建筑圖紙。點云數據通過Si-Scan、AutoCADReCap、T20 天正建筑三款軟件互相配合，可快速、有效的繪制CAD 建筑圖紙和建立古建筑3D 模型。如圖3，圖4 所示。

圖3 古建筑正立面圖

圖4 古建筑平面圖

6）三維激光掃描技術在古建筑測繪應用的問題及策略。

（1）古建筑掃描點云數據量大。由于古建筑造型和結構復雜，一般采用高密度掃描模式，三維掃描儀X300 根據掃描的點密度有快速、標準和精細三種掃描模式。本次古建筑測繪實踐采用X300三維激光掃描儀的標準掃描模式，單站數據量很大，若把所有測站數據拼接，數據處理對電腦配置要求很高，一般計算機無法滿足。故本次實踐中采用“按需分項拼接”測站數據，例如：繪制正立面圖時，只需拼接與正立面相關的三個測站的點云數據；繪制側立面圖時，只需拼接與側立面相關的兩個測站的點云數據。采用“按需分項拼接”測站數據可有效分解大數據為2 到3 個測站為一組的“分項數據”，有效降低對計算機數據處理和存儲能力的要求。

（2）局部大樣圖的繪制。古建筑的結構復雜、附屬藝術品多，一般像斗拱、藻井、門窗、雕刻等都需繪制大樣圖，本次測繪實踐使用三維激光掃描儀近距離（3～6m 左右），采用精細掃描模式采集數據局部對象，由于局部對象較小，一般1 至2 站掃描即可，然后使用CAD 勾勒出局部大樣圖，如圖5，圖6所示。

圖5 古建筑花板大樣

（3）三維激光掃描儀對古建筑的測繪精度。為了檢測三維激光掃描儀的測繪精度，對某古建筑特征點用鋼尺采集了一定數量的尺寸數據（往返測取中值），同時在CAD 中量取了由三維掃描儀X300采集數據而繪制的建筑圖中古建筑特征點的尺寸數據,總共量測了12 組數據，其比較結果見表1。從表中比較分析可知，中誤差為4.17mm。采用三維激光掃描技術進行古建筑測量與傳統鋼尺測量相比差別不大，可完全替代傳統鋼尺測量。

圖6 古建筑門窗紋飾大樣

表1 三維激光掃描技術進行古建筑測量與傳統鋼尺測量的比較

3 小結

通過三維激光掃描技術在古建筑測繪工作實踐應用，系統的闡述了從掃描采集數據至繪制建筑圖的過程及策略，采用三維激光掃描技術進行古建筑測繪可有效提高測量精度和數據完整性，省時省力、效率高。同時，非接觸的測量方式不會對古建筑造成損傷，在技術層面上加強了古建筑、文物的保護和傳承。