三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用

［關鍵詞］三維激光掃描技術；古建筑；測繪；蕭縣師范禮堂

古建筑泛指民國及以前的具有人文、藝術、社會價值的建筑物或建筑群[1]。隨著現代社會的發展，人們對人文藝術的追求不斷提高，對古建筑所特有的科學文化價值也越來越重視[2]。古建筑修復與保護成為了古建筑研究范疇中的重要一環，更多的古建筑被加入到修繕保護的行列。許多古建筑在修繕之前，需要對古建筑進行測量并繪制古建筑的建筑圖紙[3]。然而，許多歷史悠久的古建筑的建筑工藝已經失傳，相關設計圖紙也已消失，這給修繕工作帶來極大的阻礙。傳統的古建筑測繪工作主要是依靠人為手動測量的方式，依靠量尺進行[4]，更先進、高級的方式可使用到全站儀進行。雖然傳統的測量方式可以完成古建筑的測量并完成圖紙繪制，但是需要耗費巨大的人力以及較多的物力資源，并且效率低下，獲得的信息有限，并不能完全滿足現代修繕的要求[5]。三維激光掃描技術并具有設備輕便，操作簡單，工作高效等優點，在古建筑測量與修繕中起到了重要作用。

光焰不發，珠玉與瓦礫同觀。藻繪未揚，明光與布葛齊價。蕭縣師范禮堂是紀念當地歷代忠烈人物而建的忠烈祠堂，如竹簡般記錄著當地豐富的歷史文化，對禮堂需進行必要的修繕工作，可以更好地保護古建筑，有利于其在文化的傳承，歷史的延續中發揮重要作用。文章通過介紹運用三維激光掃描對蕭縣師范禮堂進行測繪，闡述了技術要點，探討了操作規范，不僅可以為今后古建筑修復提供測繪技術支撐和借鑒，同時可以為古建筑電子信息建立、系統化管理及查詢等技術的發展奠定基礎。

1. 三維激光測量原理

三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀、計算機、電源供應系統、支架以及系統配套軟件構成。三維激光掃描儀作為三維激光掃描系統的主要組成部分，是由激光射器、接收器、時間計數器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機以及軟件等組成，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據，通過拼接、紋理映射等技術手段，可實現所見即所得的效果。

2. 外業測量

2.1 控制網建設

控制網建設作為一項重要的前期工作，對于三維表面測量的成功與否起到了決定性的作用，具有極其嚴格的規范要求，需要根據工程需要，按照《城市測量規范》（CJJ/T 8-2011）、《工程測量規范》（GB 50026-2007）、《房屋建筑制圖統一標準》（GB/T50001-2001）、《國家基本比例尺地形圖圖式第1 部分：1：500、1：1000、1：2000 地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2007）、《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314-2009）等規范進行建設局部坐標控制網和絕對坐標控制網[6]。

要獲取蕭縣師范禮堂完整的點云數據，需要在各個不同的位置架設測站進行測量，局部控制網的建設可為測站獲取的點云數據提供統一的空間參考和坐標系統。為使坐標轉換后的坐標系統達到一致，每個測站應保證至少含有3個同名點以確保各個測站間的數據點在相同的坐標系統下進行拼接，通過對禮堂周邊環境的綜合分析認為合理地設置標靶有利于點云拼接。為了充分發揮標靶在點云拼接中的優勢，根據禮堂周圍環境的具體情況，在禮堂四周設立固定標靶后，在地面上每個測站精細掃描這些標靶，并且使相鄰的兩測站間掃描部分重疊標靶，根據測站掃描的重疊標靶信息拼接每個測站的數據，將標靶整合在一個局部獨立坐標系中，所設立的固定標靶成為各測站點云拼接的基礎[1]。

要完成對禮堂保護性測繪工作，首先需要建立局部和大地坐標系兩者之間的坐標轉換關系，然后將禮堂的局部測量坐標轉換到大地坐標系中，以獲得禮堂最終的絕對位置和方位。根據禮堂周邊的實際環境及工作要求，利用RTK及全站儀測量禮堂周圍固定標靶中心點坐標，通過坐標轉換來實現對整體模型定位定向的要求。

2.2 三維激光掃描表面測量

要獲取蕭縣師范禮堂完整的點云數據，需要架設激光掃描儀進行掃描，為全面獲取禮堂各個位置的信息，按照要求在禮堂四周地面及屋頂不同高度的平臺上進行架設，可以確保全方位獲取禮堂的點云數據。先在地面針對禮堂四個拐角兩個平面架設6站進行掃描，這6站數據覆蓋面大，精度高，構成禮堂地面的大致點云模型。在地面的6個方向搭建穩固的掃描平臺，以滿足禮堂屋頂數據的采集工作。對于樹木遮擋部分及關鍵處進行局部加密掃描，而后利用標靶進行整體拼接，保證蕭縣師范禮堂相關數據的全面性與完整性。本次工作中地面實際共計架設30站，一層需要40站，針對房頂內部結構的掃描需要20站，總共90站左右。

2.3 彩色圖像采集

利用無人機傾斜攝影，高清數碼相機對建筑本體、室內外環境、細節部節點進行高清彩色照相。數碼相機采集時原則上先拍蕭縣師范禮堂整體，后拍禮堂局部，拍攝要全面不得漏拍，每個拍攝角度都應與拍攝立面保證垂直，對于一些重要部位需要進行精細拍攝，同時采集的紋理圖案命名時要規范，便于后期紋理映射時使用；無人機的傾斜攝影技術可以全自動、高效率、高精度、高精細地構建地表全要素三維模型/實景三維模型，利用無人機多次飛行、交叉飛行的方法，獲取蕭縣師范禮堂的完整影像資料，為后期制作真三維模型提供依據。

3. 數據處理

3.1 點云拼接

所謂點云拼接，實質上是實現兩個三維空間直角坐標系之間的轉換。點云拼接是蕭縣師范禮堂三維重建的基礎工作，點云的精度直接決定了三維重建的精度，而點云拼接是最基礎的工作之一。將不同測站所掃描的樓體數據及標靶數據通過Leica Cy?clone 軟件進行拼接，所有標靶拼接誤差均小于5 mm。

用三維激光掃描儀對禮堂進行掃描測量時，由于站點較多，每個站點采集的點云數據是相互獨立的，故有必要進行點云數據的坐標轉換。理論上在同一坐標系下，空三解算后的傾斜攝影點云數據與坐標轉換后的點云數據融合后可以做到無縫拼接，然而，兩種點云數據在實際中并不能做到無縫拼接，主要原因是兩種數據有著不同的測量精度，因此要對兩種數據進行一些數據處理工作。一般而言，我們把精度更高的點云數據作為目標進行兩種點云數據融合。相對于傾斜攝影的點云數據，三維激光掃描的點云數據精度更高，故目標點云為三維激光掃描的點云。不同測站的點云數據必須有一定的重疊度，為了將傾斜攝影點云轉換至目標點云上，需要進行相應的坐標轉換，通過人工選擇兩種點云數據中不少于三個的公共點數據作為約束條件，且三個公共點不得共線，根據式（1）可獲得轉換參數。

3.2 構建格網和填補空洞

因構成禮堂點云模型的空間離散點不能直觀的反映禮堂的實際表面，為使點云模型真實顯示目標體（禮堂）的實際表面，需要通過構建三角格網來恢復禮堂表面的拓撲關系。在數據采集過程中，因遮擋、某些材質吸收率過大或前期點云數據處理時操作不當錯誤刪除部分點云數據等導致點云數據中存在少量無法獲得數據的死角，這些死角的存在會導致獲取的數據不完整。為完整的呈現禮堂的三維模型，有必要在建模過程中對不完整的數據進行補充賦值，利用周邊領域完整的三維數據插值補充缺損部位的點云數據，空洞填補時，小孔用平面填補，大孔用基于曲面的方法填補。

3.3 紋理映射（真三維模型）

紋理是指附著在建筑實體表面的各種雕飾、圖案、花紋和顏色信息。紋理映射，又稱紋理貼圖，是把一幅二維圖像貼到三維物體的表面的過程，精細逼真的反映三維物體表面的各種細節，提高三維模型的真實性。在基于圖像的三維建模系統中，紋理映射包含兩個步驟：首先，利用圖像序列和網格模型生成一張紋理圖像，這張紋理圖像又被稱為紋理地圖集（Tex?tureAtlas）；然后，建立紋理地圖集中的紋理像素（Texel）和網格模型頂點之間的映射關系。為了使三維模型具有真實紋理，有必要進行紋理映射，即通過建立影像像素與三維模型上各頂點之間的對應關系，將采集到的影像紋理賦給三維模型[1]。由于采集到的紋理數據中不僅包含禮堂的紋理信息，還包含背景物的紋理數據；采集時由于光線的參差，不同位置的機器采集到同一部位到圖像信息也不一致；每次采集到紋理數據只是禮堂的一部分，故有必要對紋理數據進行篩選及裁剪等工作后，再進行紋理映射。

3.4 DLG產品制作

將古建筑的測繪數據歸類匯總，利用Leica Cy?clone 軟件將數據導入AutoCAD 中，將測繪所得的空間數據繪制形成可直觀、精細表達古建筑尺寸與結構的立面圖、平面圖和剖面圖等線畫圖件（DLG），讓文物測繪成果以精準圖紙的形式展現出來，為后期修繕提供數據[1]。與此同時，將禮堂的歷史、功能、地理位置、占地面積、尺寸大小等屬性數據統一放置于禮堂三維模型之下，并建立樹形目錄進行存儲管理，為日后禮堂的安全監測、現狀評估、三維可視化、復原修復、價值評估等工作提供依據。

4. 案例分析

蕭縣師范禮堂始建于1947年，初為原江蘇省蕭縣為紀念當地歷代忠烈人物而建的忠烈祠堂，建筑面積157.12 m2，占地面積221.19 m2。1948年，原設在蕭縣張莊寨的蕭縣師范學校改在蕭縣縣城北關外鳳山腳下（即當前校址）重建新校址，并將此禮堂列入其中，于是，該祠堂就逐漸成了該校舉行重大活動的蕭縣師范禮堂，并留存至今。禮堂的保護性測量工作，將使承載了歷史文化底蘊的禮堂無懼風雨，繼續記載見證新的歷史。禮堂整體為大屋頂結構，高大雄偉，內部空間敞亮寬敞。雖歷經百余年，仍舊保持情況較好，門窗均為弧形結構，變化較少。石料經過嚴格的篩選，嚴絲合縫，外觀上有點西方而又不失民國的建筑風格（圖1）。因年代久遠，自然腐蝕外加人為活動因素導致建筑受損嚴重，需要修繕。使用手持三維激光掃描儀對禮堂進行掃描，繪制出1張總平面圖（圖2）與4張立面圖（圖3）。

蕭縣師范禮堂平面圖清晰反映禮堂呈東西長、南北進深短的民國建筑風格，東西連頂外沿長17.946 m，堂體長15.846 m，南北連頂外沿寬12.176 m，堂體寬9.986 m（圖2）。

禮堂南立面為一正門，東西兩側各兩廂門設計，地基全長16.076 m，堂體高5.263 m，屋脊長9.787 m（圖3a）；北立面為東西各一門設計，掃描顯示地基長16.083 m，堂體高4.989 m（圖3b），與南立面存在極小誤差，在測量精度允許范圍內；東立面地基長10.254 m，堂體高4.903 m（圖3c），與北立面存在極小誤差，在測量精度允許范圍內；西立面地基長10.263 m，堂體高2.283 m（圖3d），與南立面存在極小誤差，在測量精度允許范圍內。

通過三維激光掃描技術，高精度、高效率、多方位、多元化測繪了蕭縣師范禮堂的結構及尺寸，結合現場照片，可以科學合理制定修繕方案，為保護古建筑提供了技術支撐。

5. 結論

（1）古建筑的修繕是古建筑保護中的重要手段，保護古建筑，主要是保護它的文物價值，即保護它的歷史、科學和藝術價值。

（2）運用三維激光掃描技術對蕭縣師范禮堂進行測繪，精確測量禮堂尺寸，同時結合禮堂照片，可以計算機1∶1繪制禮堂結構圖。

（3）三維激光掃描技術可減輕測繪工作對古建筑的擾動，減少人力物力的損耗，數字模型的建立可為修繕方案提供依據。