三維激光掃描測量在老宅保護中的應用

王鳴霄，夏磊凱

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

老舊房屋、百年老宅等具有特定意義的建筑是人類發展歷史重要的見證者。隨著社會的進步，人類精神文明的提高，人們對歷史悠久的百年老宅保護意識也逐漸加強。由于中國古代建筑物建造工藝主要由傳統工匠掌握，工匠一般因文化水平有限，很少用文字及圖紙記載下來。每一棟建筑物主要由工匠的經驗建造而成，很少有其專門的建筑圖紙[1～3]。近代個別有建筑設計圖紙的也因年代久遠導致紙質材料損壞、遺失。后人也無法考證其具體建筑結構。為了還原老式建筑物的結構，對建筑物進行數字化存檔，需要對建筑物進行全方面測繪，這勢必對測量技術提出較高的要求[4]。老宅的測繪從最先的皮尺丈量到全站儀設站打點都是一種局部、效率緩慢的測量方法[5]。

隨著測繪技術的發展，三維激光掃描在測繪行業應用越來越廣泛。三維激光掃描測量技術是一種免接觸、高精度、高效率、大范圍的新型測繪方法。中國古代庭院式老宅，內部結構錯綜復雜，有外大門、倒座房、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、廊道、書房、正房、庭院等。使用傳統皮尺丈量精度不高，效率緩慢，無法準確確定建筑結構相對關系；使用全站儀測量具有架站多、不易通視、易缺漏特征點、工作效率慢等缺點[6～8]。三維激光掃描測量非常適用于中式老宅的測量和修復工作，它可以采集結構復雜的建筑物，并可以在復雜地形環境中采集建筑物特征點。此外三維激光掃描測量能夠通過掃描生成點云數據及全景照片還原建筑物外觀模型，解決復雜建筑物復雜細部重建等問題，具有很好的應用前景。

2 三維激光掃描測量數據處理

2.1 三維激光工作原理

三維激光掃描主要由激光掃描系統和測距系統兩部分組成，如圖1所示，它主要是通過掃描儀發射激光信號，通過高速旋轉的反光鏡將激光向兩側均勻發射出去，當激光遇到物體時會被發射回來，再利用儀器的接收裝置記錄返回的激光數據[9]。主要記錄的數據有反光鏡水平轉角和垂直轉角得到的激光束水平角和垂直角、激光返回的時間、激光反射回來的強度，若使用彩色掃描還會返回被測物體的RGB數據。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 技術流程

本次項目使用的是FARO S350固定式地面三維激光掃描儀。FARO S350具有高精度、高分辨率、高速、尺寸小、重量輕、高動態范圍成像、逼真三維彩色掃描等特點，同時還自帶傾斜、高度、GPS等傳感器，最遠掃描距離達 350 m。具體技術參數如表1所示。

FARO S350主要技術參數 表1

通過本次使用的FARO S350固定式三維激光掃描儀結合實際老宅測量過程，總結了三維激光掃描測量技術在老宅測量中的主要工作內容。主要工作流程如圖2所示：

圖2 三維激光掃描工作流程

(1)現場踏勘

老宅測量前應前往現場了解情況，大概掌握老宅房屋現狀、主要結構布局及周邊的地形、地貌等。手繪現場草圖，并收集老宅所在位置的地形圖、影像圖、控制點、水準點等可利用數據。

(2)方案設計

根據現場踏勘了解的情況、現場草圖和收集到的地形圖、影像圖等資料，初步設計園區內部控制點布設位置和三維激光掃描儀測量架站路線。

(3)控制點布設

根據CJJ/T8-2011《城市測量規范》、GB50026-2007《工程測量規范》、CH/Z3017-2015《地面三維激光掃描作業技術規程》等規范規程要求布設平高控制點，平面采用GNSS RTK測量方法布設三級平面控制點，高程控制測量宜采用水準測量、電磁波測距三角高程測量和GNSS高程測量等方法[10～12]。控制點至少布設4個，其中3個用于掃描拼接后的點云進行坐標轉換，1個控制點用來檢驗轉換精度。RTK平面控制測量結束需要進行不少于控制點點數10%，不低于3個的重復測量檢查，并采用全站儀對控制點進行邊角檢核。

(4)現場測量

根據設計的測量方案現場布置掃描，并采用全站儀采集部分墻體等特征點驗證點云測量精度。

(5)內業數據處理

主要包括點云數據傳輸、點云拼接、RTK選點處理、水準平差、全站儀碎部點解算、點云坐標轉換等。

(6)質量檢查

使用控制檢驗點和全站儀采集的特征點對坐標轉換后的點云數據進行精度檢查，驗證點云拼接、坐標轉換后的精度和可靠性。

(7)繪制平立剖面圖

根據拼接和坐標轉換后的點云繪制老宅的平面圖、立面圖、剖面圖。

(8)三維建模

為了長久保留老宅的建筑結構資料，也為了更加直觀地還原老宅的容貌，幫助以后修復及BIM改造，可利用點云數據及平立剖圖對老宅進行三維精建模。

3 應用案例

本次掃描測量對象是一處位于上海某園區的老宅，老宅主要建筑物由蘇州搬遷至此，總的占地面積約 3 040 m2，建筑面積約 1 465 m2。經現場踏勘和獲取的高分辨率正射影像(圖3)，基本掌握老宅的結構分布。老宅主要由一個主體建筑物和庭院圍墻構成，主體主要由外大門、首進大廳、二進會客廳、三進室正房、東廂房、西廂房、檐廊、東西廊道、庭院等組成。主體建筑物因年代久遠并無相關建筑結構圖，需要對其進行全方位三維激光掃描獲取老宅主體建筑的房屋結構，主要包括建筑物平面圖、屋頂投影圖、立面圖和剖面圖等。本次外業掃描工作控制點、掃描測量及全站儀碎部點采集同步進行，掃描路線由外向里進行布設。

圖3 老宅正射影像圖

(1)控制點測量

老宅整體結構比較規整，在主體四邊布設4個控制點，其中3個為控制點(G1、G2、G3)，1個為檢查點(G4)。平面控制測量采用GNSS RTK測量得到，高程通過附近的水準點經四等水準測量得到。RTK平面控制點共4個，每個控制點觀測兩測回，測回間平面、高程互差小于 2 cm。對其中3個點進行重復測量檢查，具體如表2所示。控制點重復測量檢查平面較差均小于 0.03 m，符合規范要求。測量結束后在4個控制點上放置棋盤靶紙。

RTK重復點檢查表 表2

(2)全站儀測量

對3個控制點進行全站儀邊角檢核測量，并同時采集老宅外圍墻體的房角點、墻面點等特征點。全站儀邊角檢核結果如表3所示，平面距離較差均小于 15 mm，角度較差小于30″，距離較差的相對中誤差均大于1/4000，各項技術指標均符合CJJ/T8-2011《城市測量規范》規范要求[10]。

全站儀平面控制點檢核 表3

(3)三維激光掃描測量

本次現場掃描采用FARO S350三維激光掃描儀，布設方式采用由外向內的逐站推進，共架設158站，無靶球靶紙的相鄰測站至少有30%的點云重疊度。因本次掃描的老宅含有前廳、洗手間、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、檐廊、書房、正房等房間，房間數量眾多。為了詳細測繪每一處的房屋結構及后續點云拼接，一般在門前、門下及門后各架設一站。此外，為了可以掃描到屋頂的結構，在老宅臨近房屋陽臺處架設掃描儀，向下進行掃描，通過在地面上布設3個以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征點將陽臺上的測站與地面測站聯系起來。

(4)點云拼接

采用FARO自帶的SCENE點云處理軟件進行點云拼接操作。SCENE提供了3種點云拼接方法，分別是基于俯視圖注冊、基于云際注冊和基于目標注冊。基于俯視圖注冊適用于無靶球和靶紙的且相鄰測站有30%以上重疊度的測站。基于云際注冊是對基于俯視圖注冊拼接后的點云進行精配準，一般基于俯視圖注冊拼接后的點云效果質量差的情況可以使用基于云際注冊來提高配準精度。基于目標注冊是利用靶球、靶紙及明顯的地物特征點進行點云拼接，具有速度快、精度高等特點，但不適合通道狹窄的室內掃描。本次采用基于俯視圖注冊+基于云際注冊和基于目標注冊的組成模式進行點云拼接，并利用軟件自帶的過濾工具進行點云過濾。拼接后的房屋點云與實際建筑物形狀基本一致，無明顯的錯層、偏移等問題，如圖4所示。

圖4 拼接后的點云

(5)坐標轉換

利用控制點G1、G2、G3對拼接后的點云進行坐標轉換，并用G4及全站儀采集的墻體特征點作為點云精度檢查點，驗證點云坐標的精度和可靠性。其中G4、tj為三維檢查點，qt1～qt4為平面檢查點。具體如表4所示，平面較差和高程較差均滿足GB50026-2007《工程測量規范》工礦區主要建(構)筑物平面點位中誤差小于 5 cm，高程中誤差小于 2 cm的要求[11]。

點云數據檢驗點精度表 表4

(6)平立剖面圖繪制

對轉換后的點云數據進行橫剖、縱剖處理，再結合三維激光掃描儀在掃描時拍攝的全景照片全方位無遺漏地繪制出老宅的平面圖、立面圖、屋頂投影圖、東西剖面和南北剖面圖，分別如圖5～圖9所示。

圖5 總平面圖

圖6 立面圖

圖7 屋頂投影圖

圖8 東西剖面圖

圖9 南北剖面圖

4 結 論

三維激光掃描測量作為新型測繪技術的一種，具有高精度、大范圍、免接觸等的特點，近年來被逐漸應用到測繪行業中。老宅改造作為歷史建筑物保護工作，需要全方位、無遺漏地還原建筑結構。基于三維激光掃描技術特點，本文詳細闡述了三維激光掃描技術原理和在老宅改造過程技術流程，結合實際案例總結了一套適用于老宅改造測量的技術方案，為以后的古建筑物保護工作提供了很好的參考價值。