三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用

李盎然，鄧文彬*，侯雪晴

（1. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830046）

隨著社會科技水平的不斷發展以及國家對古建筑保護機制的不斷完善，三維激光掃描技術應運而生。三維激光掃描技術作為一項世界前沿的非接觸式高精度高效率測繪技術，在保護古建筑和文物的基礎上，其便捷性和精確度更體現了其相較于傳統測繪技術的優越性。目前，三維激光掃描技術與其他技術相結合的研究成果的社會接受度和應用度愈漸廣泛，本文對比分析了國內市場上流通銷售且應用廣泛的具有代表性的三維激光掃描儀的技術參數，從而選擇性價比更高的儀器進行掃描；再利用采集的點云數據進行三維建模，以體現三維激光掃描技術的“實景再現”特點。利用高密度激光掃描的測量方法，實現對被測量物體的大面積覆蓋，再以原比例的模型結構制作三維點云數據模型，最后根據三維信息、激光反射強度和灰度值等信息實現被測物體建筑的效果圖可視化[1]。建筑物三維立體信息的獲取使數據化改革實現了更高層次的發展，數據更加直觀清晰[2]。

1 古建筑概況

本文選擇的古建筑是坐落于吐魯番市葡萄鄉木納格村臺地的蘇公塔。其外形具有獨特的西域建筑風格，是新疆境內現存最大的古塔，是清代建筑設計大師之作。除頂部窗欞外，基本不用木料，由單一的灰黃色土磚壘砌，塔身渾圓，自下而上、逐漸收縮，呈圓錐形，塔高為37 m，塔基直徑為10 m，塔的表面分層砌出三角紋、四瓣花紋、水波紋、菱格紋等15種幾何圖案，具有華麗的西域建筑風格[3]。

2 儀器選擇與數據處理

2.1 儀器選擇

古建筑測繪的內容主要是由建筑物本身的特性和測繪成果應用目的確定的，測繪對象的大小、材質、建筑結構、布局、價值以及測繪構件類型和數量在一定程度上都會影響測繪的流程和工作量[4]。本文對比分析了目前市場上常用的三維激光掃描儀，從而選擇合適的儀器進行掃描。具有代表性的儀器參數如表1 所示，可以看出，美國法如FARO 的硬件條件比瑞士徠卡Leica 好，且Leica 的儀器更加笨重，中海達HS1200 在長距離單體建筑掃描測量方面具有明顯優勢；就其他技術參數而言，HS1200 除近距離掃描范圍過大、垂直方向視場角較小和掃描速度不夠快以外，與FARO 并無較大差距。然而，FARO 在我國市場應用并不廣泛，售后可能無法保障，HS1200 是我國自主研制的高精度三維激光掃描儀，且具有長距離單體建筑掃描測量的優勢，性價比更高。因此，本文嘗試采用HS1200 進行建筑物外景測量。

表1 儀器技術參數對比

2.2 數據處理

本文利用中海達HS1200 高精度三維激光掃描儀對吐魯番市蘇公塔進行外景三維激光掃描，再利用獲得的點云數據建立三維模型。數據處理主要采用Au?todesk Recap 2018和3ds Max 2016等軟件。

2.2.1 外業數據采集

本文利用HS1200 高精度三維激光掃描儀對蘇公塔外景進行掃描測量，如圖1所示。

圖1 現場測量圖

2.2.2 內業數據處理

1）點云數據模型構建。首先利用Couldcompare軟件將原始掃描數據從Las格式轉換為e57格式，進行初步格式轉換（圖2），該步驟可依據工作軟件安裝條件選擇性省略；然后利用Autodesk Recap 2018軟件創建點投影文件（.rcp），即將掃描文件數據轉換成點云格式，并將點大小變為1，顯示模式由RGB 轉換為高程模式，以便對已測點云進行核查。點云數據視圖如圖3所示。

圖2 初步格式轉換圖

圖3 點云數據視圖

2）三維建模。將點云數據導入軟件（圖4），主要通過3ds Max 軟件實現。三維建模包括建立模型、光源材質和渲染3 個部分，若電腦配置不夠則需要增加內存。3ds Max 軟件主要利用CPU 進行渲染，內存一般需要16 G以上。貼圖后效果如圖5所示，已有很明顯的立體效果。

圖4 導入軟件視圖

圖5 貼圖后基礎模型展示圖

2.3 三維激光掃描技術的特點

與全站儀單點測量不同，本文采用的地面固定式三維激光掃描技術是全自動高精度高密度大范圍的掃描測量，可一次性獲得大量連續的全景三維坐標。其特點主要包括：①密度高、掃描區域覆蓋廣；②非接觸性，主動性極強，不受工作時間限制；③交互性強、應用廣泛，采集的是點云數據，屬于數字化信息，可供各種工程項目使用；④高精度，目前其測量精度可達毫米級；⑤無需瞄準，操作簡單，工作時間長[5]。

3 結 語

本文利用地面固定式三維激光掃描儀對吐魯番市蘇公塔的外景進行了測量，得到的點云數據經過一系列處理后可進行三維建模。得到的三維模型既有真實觀感，又有真實測量數據，交互性較強，對古建筑保護具有深遠影響。由古建筑測繪的現狀和研究背景可知，三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用不僅可以更有效地實現對古建筑的無接觸測量，為人類文明標志的古建筑建立數字檔案，實現古建筑的三維可視化，為今后的文物保護提供基礎；還可以突破地域經費的局限，實現文化傳播[6]。

在研究過程中可以發現，本文采用的三維激光掃描技術還存在一些局限性：①點云數據的空洞現象；②如遇非透光性遮擋物，可能會在掃描的細小部分出現偏差[7]；③據從業人士反映，HS1200在精度方面較國外儀器還有一定差距。

無人機傾斜攝影測量與三維激光掃描技術同屬于間接測量，具有操作靈活方便、生產效率高、測量無需通視、高精度等特點[8]；但無人機傾斜攝影測量對于底層建筑的測量精度和測量飛行中的安全性不能保證。今后將結合無人機與三維激光掃描技術，使二者優勢互補，進行更復雜的大面積建筑群的高效精準測量[9]。