基于三維激光掃描的古建筑修繕測繪方法

摘要：古建筑作為一個城市的重要文脈之一，其中所反映的正是這座城市的歷史，充分體現(xiàn)了民族氣息，古建筑修繕工作對挖掘、掌握歷史文化具有重要意義。但由于受到自然、人為等因素的影響，導(dǎo)致古建筑整體質(zhì)量下降，需要提升修繕技術(shù)。而以往古建筑測繪方法主要以人力輸出為主，同時還需要大量的物力支持，整體測繪工序非常復(fù)雜，工作效率較低，增加了古建筑損壞幾率。對此，本文提出了三維激光掃描技術(shù)，通過此種非接觸方式全面精確地掌握古建筑具體數(shù)據(jù)后制定相應(yīng)的修繕方案，極大地 提升了測繪工作效率與質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;古建筑;修繕測繪方法;實施應(yīng)用

古建筑測繪主要工作就是測量、采集、處理古建筑相關(guān)幾何、物理、人文等信息，測繪古建筑的目的在于為古建筑建立最為原始的檔案，所以，該項工作需要較高的測繪技術(shù)，確保數(shù)據(jù)精準性，才可以發(fā)揮出測繪成果的作用，促使古建筑得到更好的修繕，幫助提供重建信息，同時，也在古建筑宣傳、陳展、文創(chuàng)等方面發(fā)揮著重要的作用。對此，本文分析了三維激光掃描技術(shù)，并將其應(yīng)用到古建筑修繕測繪中，有效推動了古建筑三維可視化、建立數(shù)字化檔案工作的順利開展。

一、三維激光掃描技術(shù)概述

以往在測繪古建筑基本信息過程中，需要耗費大量的人力，全站儀、普通鋼尺是主要的人工測量工具，同時，所測繪的主要是古建筑物的平面、立面以及剖面圖，此種作業(yè)方式效率非常低。而不同的古建筑，其形狀各異，需要測繪人員充分并且全面地接觸建筑物，反而增加了古建筑損壞的可能性，所以，此種測繪方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)下古建筑測繪實際需求。而三維激光掃描技術(shù)的興起，引領(lǐng)了一場技術(shù)革命，該技術(shù)最大的特點就是不需要測繪人員與實際建筑物接觸，就可以獲取到較為全面的建筑幾何、平面數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了全自動、高精度地獲取物體表面的密集點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過后期相關(guān)軟件的操作，除了可以得到建筑物的二維平面數(shù)據(jù)信息之外，還能夠有效還原出建筑物三維模型圖，這對修繕古建筑起到重要作用。

（一）三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)是最早出現(xiàn)在上世紀90年代中期，隨后逐步被應(yīng)用發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)原理與全站儀測距測角存在相似之處，但不同的是，全站儀測距測角需要逐個點進行測量物體坐標作業(yè)，相比之下，三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測量目標作業(yè)，由于該技術(shù)可以發(fā)射連續(xù)激光束，在激光束的作用下，可以準確快速地獲取到建筑物表層密集點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，工作人員可以綜合參考相機設(shè)備收集到的紋理、色彩等信息，并利用相關(guān)軟件進行處理，便可以得到建筑物的三維模型圖，所以，人們也稱該技術(shù)為“實景復(fù)制技術(shù)”。其中三維激光掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)，主要是建立在掃描坐標系基礎(chǔ)上的，坐標系的原點是發(fā)射激光束起始點，而X軸，表示為掃描儀水平轉(zhuǎn)動軸的零方向，Z軸則是掃描儀水平時的天頂方向，其測量原理，如圖1所示。

在圖1中，θ表示為掃描儀測量到的豎直角;α則為掃描儀測量到的水平角;而S代表的是坐標原點與監(jiān)測點之間的距離，進而可以使用X=S cosθcosα;Y=Scosθsinα;Z=Ssinθ來表示監(jiān)測點在掃描坐標系中的坐標。

（二）三維激光掃描技術(shù)實際作業(yè)流程

在測繪古建筑過程中，引入三維激光掃描技術(shù)，具體作業(yè)流程主要有兩方面，其一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，其二為內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，具體流程，如圖2所示。

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集部分，測繪工作人員需要控制測量，采集點云數(shù)據(jù)。而內(nèi)業(yè)則主要是對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，通過點云拼接、點云去噪、點云統(tǒng)一等過程，獲取到可用數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對建筑物進行三維建模，這其中包含了點階段、多邊形階段以及曲面階段。最后就是紋理映射，獲得建筑物最后的真實色彩圖像。

二、具體工程實例分析

（一）項目實況

本文主要以巍峨聳立在肇慶西江河畔的崇禧塔為例，該塔始建于明萬歷十年（1582），塔高57.5米，基座高1.84米，周長46.5米，外觀9層，內(nèi)分17層，呈八角形，布局嚴謹，比例勻稱，每層向外伸出的塔檐用琉璃瓦鋪蓋，檐角懸掛鋼質(zhì)風(fēng)鈴，共72個。

在此測繪工作方案中，主要的目的就是運用三維激光掃描技術(shù)采集崇禧塔的數(shù)據(jù)，而后利用專業(yè)軟件繪制塔體相關(guān)圖件，完成該塔的三維數(shù)字建檔，給后續(xù)崇禧塔修繕維護工作的開展提供有價值的技術(shù)參考與保障。

（二）外業(yè)實施

1.控制測量

結(jié)合此次掃描精度要求以及崇禧塔周邊環(huán)境實際情況，首先，測繪工作人員需要在塔身附近8個方向的20米位置，設(shè)置8個測站，由于塔身高57.5米，所以，當(dāng)掃描儀與塔身距離較近時很難準確掃描到塔身較高部位，還需要再設(shè)置4個測站，距離控制在塔身40米。所有的測站都需要使用鋼釘進行標志，做到每兩個可以通視，按照此種布設(shè)方式，可以全面掃描到崇禧塔表面。

完成所有控制點布設(shè)后，測繪人員可以借助JSCORS網(wǎng)絡(luò)RTK，對已經(jīng)掌握的控制點進行聯(lián)合測試，并對測試結(jié)果進行校對，確保準確無誤后再進行觀測，其中每個控制點都需要至少觀測2次，將得到的觀測值相加后，取其平均值，而后使用CGCS2000坐標系表示出該終值，為后續(xù)數(shù)值轉(zhuǎn)換做好基礎(chǔ)準備。

2.采集相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)

在采集點云數(shù)據(jù)過程中，測繪人員可以利用Leica ScanStation C10掃描儀，同樣需要先設(shè)定目標靶，在實際布設(shè)過程中要合理控制標靶與掃描儀的距離，切記不可過遠，防止出現(xiàn)共線共面的情況。對此，可以在鄰近2個測站間設(shè)置4個標靶球。而后將掃描儀架設(shè)整平后啟動，實施掃描。與塔身10米位置時將該儀器設(shè)置為中等分辨率、全景視場;距離40米時，設(shè)置為高等分辨率，自定義視場。在完成所有掃描工作后，工作人員需要使用CCD相機拍攝掃描對象，為后續(xù)紋理映射提供基礎(chǔ)信息。

（三）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過外業(yè)掃描獲取到的數(shù)據(jù)，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，主要包含了三個階段，即原始數(shù)據(jù)傳輸與導(dǎo)入、單天工程、單體工程，其中應(yīng)用的軟件為Cyclone，具體處理流程如圖4所示。

在處理點云數(shù)據(jù)前，技術(shù)人員需要將獲取到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Cyclone軟件中，而后再開展相應(yīng)的處理工作。

1.拼接

采用序列拼接方式，整合內(nèi)圍8站數(shù)據(jù)，可以確保崇禧塔表面點云配準精度，自第一站開始，利用Cyclone軟件Reg-inter模塊，處理前兩站點云數(shù)據(jù)，依照此種方式，逐步完成8站點云拼接，需要保證起始與結(jié)束位置的點云差控制在6mm以內(nèi)，進而為后續(xù)建模做好基礎(chǔ)準備。而外側(cè)的4站點云主要利用的是ICP配準算法，并將這4個點云逐一拼接到8站點云上，最終完成所有的點云拼接。

2.去噪

點云去噪的過程，工作人員可以借助Cyclone軟件，進行人工手動操作，將其中沒有價值的數(shù)據(jù)去除，完成去噪處理。主要方法就是利用Cyclone軟件打開已經(jīng)完成拼接后的12站點云總圖，并將點云圖調(diào)整到適宜的位置，使用對應(yīng)的工具去除噪聲點。

3.統(tǒng)一

由于經(jīng)過去噪后的點云數(shù)據(jù)，容易在臨近點云重疊部分出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余的情況，進而出現(xiàn)數(shù)據(jù)量增大、采樣間隔不同，為解決此問題，技術(shù)人員需要進行重采樣，借助Cyclone軟件壓縮點云的數(shù)據(jù)量，實施統(tǒng)一化處理點云數(shù)據(jù)，保證多站點云進行整合。

（四）古建筑三維建模

在建立崇禧塔三維實體模型過程中，為了提高準確性，可以更加真實地反映出崇禧塔的實際情況，本文選擇應(yīng)用Ueomagic Studio軟件實施三維建模，涉及到的具體過程包含了點階段、多邊形階段、曲面階段。

1.點階段

這一過程主要就是實施精細化處理，使得海量點云數(shù)據(jù)能夠進行更加精準的呈現(xiàn)，點階段具體實施過程為：濾除噪聲點、擺正點云坐標，而后導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)，并進行著色，對點云進行重采樣操作，最后進行點云封裝，這一過程主要是為了方便后期建模。

2.多邊形階段

針對多邊形處理，主要過程為：處理多邊形表面粗糙，對其中存在的孔洞、缺口進行相應(yīng)的修復(fù)，并實施簡化處理等過程，這一過程的操作會直接影響到模型曲面生成質(zhì)量，所以，對技術(shù)人員提出較高要求，需要加強認真、仔細程度。

3.曲面階段

在曲面階段，運用曲面片擬合，處理多邊形模型，按照過渡、混合、連接三個步驟，最終得到曲面模型。此過程由于消減了模型空間三角面片間的棱角，所以，會讓模型表面更加接近真實的建筑物。

（五）紋理映射

在紋理映射過程中，主要使用CCD相機到現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，在避免逆光的情況下，以水平拍攝為主獲取到對應(yīng)的正射影像。同時，技術(shù)人員還需要進一步處理拍攝到的照片，選擇合適的紋理，有效處理透視關(guān)系以及紋理細節(jié)，要將照片中的遮擋雜色去掉，而后，借助3Dmax軟件中逐面映射，最終得到崇禧塔真彩色三維模型。

（六）精度驗證

1.掃描控制點精度驗證

表1 是使用全站儀和JSCORS網(wǎng)絡(luò)RTK測量部分測量結(jié)果，通過對此，不難發(fā)現(xiàn)，其中5個控制點的點位要穩(wěn)定些，出現(xiàn)的誤差也都在規(guī)范內(nèi)，這為三維激光掃描作業(yè)有效開展提供了良好的數(shù)據(jù)支持。

2.掃描特征點精度驗證

使用免棱鏡全站儀測量崇禧塔10個特征點，獲取到對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息驗證此次三維激光掃描成果的質(zhì)量。并將獲取到的結(jié)果與在三維模型中量取的坐標值進行比較。

從表2數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，其中平面位置最大誤差是0.189米，而高程最大誤差為0.186米，符合相關(guān)規(guī)范。

（七）繪制專題圖

本次繪制專題圖所使用的軟件為AutoCAD，在該軟件作用下，從點云中找出塔身的二維平面圖，為文物保護相關(guān)工作的開展提供了重要支持。分析古建筑修繕工作，可知，需要繪制出對應(yīng)建筑物的側(cè)立面、正立面、俯視平面圖、剖面圖，此外，還需要繪制出橫斷面圖、縱斷面圖等。其中橫斷面圖、縱斷面圖以及剖面圖，主要就是將對應(yīng)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)等情況充分展示出來，而此次研究的古塔，由于實地環(huán)境條件受限，所以并未掃描到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以，技術(shù)人員使用了AutoCAD軟件繪制崇禧塔的北側(cè)立面圖、俯視平面圖。

綜上所述，通過本文對三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測繪過程中的應(yīng)用分析，足以驗證此種非接觸測量方式的優(yōu)勢，不僅可以較為精確地獲取到古建筑空間幾何信息。同時，也可以利用大量的點云數(shù)據(jù)快速模擬出建筑的三維模型、二維專題圖，這對修繕測繪工作的順利開展起到了重要作用。幫助工作人員提高了工作效率，同時，提高了測量精準度，也避免了對古建筑文物的二次損害。三維激光掃描技術(shù)非常適用于一些復(fù)雜、不規(guī)則的古建筑中。本文通過利用3Dmax軟件、Ueomagic Studi軟件等，雖然得到了建筑三維模型，但是最終的貼圖效果并沒有達到預(yù)期，所以，還有待進一步研究映射算法。但總的來說，三維激光掃描技術(shù)的興起與應(yīng)用，將會極大地推動古建筑測繪工作。同時，在科技水平不斷提升下，將會衍生出更多的處理軟件，為古建筑修繕提供有力的支撐。

（作者簡介：譚鋒，單位：肇慶市博物館，文物博物專業(yè)館員，本科，研究方向：文物保護與利用）

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