基于三維激光掃描的歷史文物建筑測繪研究

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3710

摘 ?要：隨著三維激光掃描技術的不斷發展，其在歷史建筑、歷史文化街區等領域有著越來越廣泛的應用。該文從三維激光掃描下進行的古建筑測繪入手，綜合討論三維激光掃描這項新式測繪技術的特點以及將其用于歷史文化街區保護中的合理方式，論文探索出了一條基于三維激光掃描的由點云數據采集、數據預處理到古建筑平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型制作的作業流程。結合具體實例表明，基于三維激光掃描進行的歷史文化街區保護測量，具有很大的發展潛力及研究價值。

關鍵詞：三維激光掃描 ?歷史文化街區 ?古建筑測繪 ?點云數據

中圖分類號：TU198???文獻標識碼：A ??文章編號：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Research on Surveying and Mapping of Historical and Cultural Relics Buildings Based on

Three-dimensional Laser Scanning

HU Shengsong

（Ma'anshan Institute of Surveying and Mapping Technology Co.， Ltd.， Ma'anshan， Anhui Province， 243000 China）

Abstract：?With the continuous development of 3D laser scanning technology， it is more and more widely used in the fields of historical buildings， historical and cultural blocks and so on. Starting with the mapping of ancient buildings under three-dimensional laser scanning， this paper comprehensively discusses the characteristics of three-dimensional laser scanning， a new mapping technology， and the reasonable way to use it in the protection of historical and cultural blocks. This paper explores a method based on three-dimensional laser scanning， from point cloud data acquisition and data preprocessing to the plan and elevation of ancient buildings Operation flow of section drawing and 3D model making. Combined with specific examples， it shows that the protection measurement of historical and cultural blocks based on three-dimensional laser scanning has great development potential and research value.

Key Words：?3D laser scanning; Historical and cultural blocks; Ancient architecture mapping; Point cloud data

在歷史文物保護與重構方面，測繪技術的應用形式主要有傳統測量手段、近景攝影測量技術和三維激光掃描技術3種。三維激光掃描吸收了前兩者的優點，并克服了固有缺陷，能夠快速、精確地獲取點云數據，能在復雜的環境中以短時間進行掃描并形成三維影像模型，安全穩定、可操作性強;且該技術為非接觸式測量，在提取文物三維數據信息的過程中避免了古建筑的再次破壞;此外，基于點云的處理軟件為各種平面和三維成果的制作提供了豐富功能，為數據的后處理提供了強有力支持。

三維激光掃描技術能夠適應當代技術需求，為歷史文化建筑的數字測繪與重建提供全新的思路與方法。當下一些歷史文化街區，正在時間的推移及城市現代化建設的進程中遭受著不同程度的破壞。因此，如何科學、有效地繼承并保護這些珍貴的文化遺產，成為當地歷史文化街區保護與修復工作中亟需面對的問題，而該文所研究的相關技術方法將為這一問題的解決提供較為完整的理論和技術支持體系。

1三維激光掃描技術流程

現場測量、繪圖和后期的正式圖紙繪制均應以組為單位，在采取三維激光掃描技術的前提下，一般每組2～3人為宜。技術流程如下。

1.1 準備工作

在此階段，首先應進行現場踏勘，查看已有控制點的位置、保存情況和使用的可能性以及控制點聯測的大概方案，進而通過待掃描對象的特點確定掃描站點的位置與掃描模型的拼接方式，以草圖、照片等形式保存成果。再通過編制具體的掃描實施方案確定大地測量聯測的方案、掃描站點的位置和掃描時的定向及定位方式、每個掃描站上掃描的目標和每個目標的掃描分辨率，進一步明確實施方案中還要包括掃描的工作流程、供給方案、人員配備及掃描施工組織。

1.2 數據采集

在正式開展古建筑測繪前應布控制網，將全部測量數據納入同一坐標系統當中，為今后的古建信息管理工作奠定基礎。測站位置選好后，架設儀器通過操作與之相連的控制電腦設備開始進行掃描;考慮到后續制作正射影像的需要，應在測量過程中注意鏡頭視角以獲取完整的數字影像像素內容。

1.3 點云數據預處理

為保證后續過程的數據統一性，首先應通過點云數據的拼接將點云的坐標系統由掃描儀自身坐標系轉換為某一統一坐標系。其后，為提高數據可用性，在保留掃描對象特征的前提下減少點的數量，對點云數據進行精簡，方便數據的輸入、輸出、管理。

1.4 點云模型中三維數據量測

建筑測繪中，經常需要量測某些特征點在參考坐標系中的坐標，通過比較特征點的坐標值得到點間關系;在古建筑變形測量中，通過比較同一點在兩次測量時間段內的坐標變化值得到建筑的變形。在點云處理軟件的3D 視圖中可以直接測量點與點間的空間位置數據和某一個面的空間狀態，可借助專業軟件的使用，量測出點的三維坐標及多點間距離、角度等空間量。

1.5 構建平立剖面圖及三維模型

通過借助專業繪圖軟件如AutoCAD配合諸如PointCloud等三維激光掃描數據后處理軟件，構建合適的坐標系，可將立面內容適配后轉至平面。而基于平面內容進行推演，通過直線、曲線、面域，以及對象上的面、邊等構造實體或曲面，以繪圖軟件內置的布爾運算（并集、差集、交集）為基礎也能夠擬合、創建復合三維對象。借助后期的紋理貼圖軟件的處理，可生產出真實感更強的模型。

2實例分析

將該文的研究思想應用于安徽某古建筑（由門房、圍墻、展館、廂房、工作人員用房等組成，總面積約925?m），基于三維激光掃描技術，完成了外業點云數據測繪工作;并通過內業點云數據配準結合專業軟件的平面、剖面、立面成圖分析，落腳于三維模型構建與立體分析;最終結合數據綜合分析結果，對具體應用前景進行了詳細評估，并形成了測繪成果如圖1所示。針對工作最終成果，該文從數據、精度、應用前景三方面進行分析，總結了當前工作中技術與方法上的不足之處，并一定程度上針對性地提出了改進思路。

2.1數據采集分析

從數據的獲取情況看，采集的點云密度足夠客觀反映對象的特征，也基本能夠滿足后續使用的需要，但總體上看，利用掃描儀進行外業數據采集的時候仍然存在一些不足。

首先，掃描存在死角。掃描死角即某些部件的點云數據無法采集。造成掃描死角的原因主要有兩個方面：一是掃描儀本身存在一個掃描角度，即只能掃描到豎直方向上某角度范圍內的對象。二是掃描對象被遮擋，這種現象在掃描古建筑的時候經常會遇到，比如外圍墻被雜草遮擋、內屋頂被隔板遮擋等。這種情況下只能通過其他相同的部件進行復制來恢復古建筑原貌，但是其精度和真實性會大大降低。

其次，是不同站之間的數據拼接存在一定的誤差。掃描儀本身的掃描精度能夠達到毫米級，足夠反映古建筑各種細節特征。但是各站點數據需要通過相對定向或絕對定向進行拼接，這需要通過靶標或控制測量完成。案例中各站點數據都通過絕對定向完成，控制點利用網絡RTK與全站儀配合進行測量。各站數據的絕對位置中誤差為0.05 m，相對位置中誤差次于0.05 m，這導致某些需要不同站點云拼接得到的尺寸較小的建筑構件誤差偏大甚至失真。為改善這種狀況，需要通過現場測量、增加測站間同名點等手段加以輔助;必要時也可對原始點云數據進行詳細分類分層，以方便目標建筑的量測和分析及用于后期的數據管理及應用。

2.2 研究精度分析

具體誤差統計如表1所示，綜合考慮測量中誤差產生的各種原因，三維激光點云及其成果的數學精度主要受三方面的影響，首先是掃描儀自身結構決定的相對精度，其次是控制測量精度，最后是數據加工引起的二次誤差。一般情況下掃描儀自身的相對精度可以達到毫米級，對點云及成果的影響可以忽略不計。控制測量精度對點云及成果產生決定影響，數據加工引起的人為誤差導致成果精度要低于原始點云的數學精度。

該例中控制測量采用網絡RTK與全站儀測量技術，理論平面中誤差為±0.05 m。而修正后的平面中誤差檢驗結果為±0.064，略低于±0.05 m。考慮到實際隱蔽點等情況，點云數據中誤差宜為控制點精度的√2倍，成果數據中誤差宜為控制點精度的2倍。

3 總結與展望

通過該文研究，探索出了一條基于三維激光掃描的由點云數據采集、數據預處理到古建筑平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型制作的作業流程。其與傳統人工測繪手段比較，克服了二次破壞等固有缺陷，也具有數據可塑性高、成果更加豐富等優點，但是其工作周期長，隨建筑復雜度增加工作測量效率降低明顯等制約因素也有待后續研究進一步解決。從總體上看，基于三維激光掃描進行的歷史文化街區保護測量，具有很大的發展潛力及研究價值。

未來，基于三維激光掃描與歷史文化街區保護，可從以下幾個方面繼續開展工作：（1）開展三維激光掃描，采集點云數據和影像數據，基于點云構建虛擬三維模型并存檔。點云和影像數據既可以看作原始數據，也可以看作成果數據。（2）基于原始點云和影像數據開展數據深加工。以此制作平、立、剖面圖，可推動與傳統古建筑測繪成果接軌;利用三維點云數據對部件進行快速三維建模，結合機械自動化技術可以快速復制各種部件，可實現古建筑快速修復;基于點云數據的變形檢測，可根據變形趨勢提前采取相應措施進行保護性維修和加固。（3）將測量獲得的各種數據成果加載到目前較為成熟的公眾平臺，加上部分軟件功能的開發，將更加有助于開展數字（智慧）歷史文化街區、數字（智慧）歷史文化名城建設。

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作者簡介：胡生送（1970—），男，本科，高級工程師，主要從事測繪地理信息項目管理及研究工作。