三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用研究

■姚沖 鞏維龍

（北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司北京100032）

三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用研究

■姚沖 鞏維龍

（北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司北京100032）

三維極光掃描儀的出現(xiàn)為我國(guó)古代建筑物的測(cè)繪開辟了一片新天地，相對(duì)于傳統(tǒng)的使用卷尺、標(biāo)桿等工具并靠肉眼估讀數(shù)據(jù)的測(cè)量方式，三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)使測(cè)量更加簡(jiǎn)單、快速、方便，大大的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)古建筑測(cè)量方式的缺陷，本文主要研究了三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪方面的應(yīng)用和前景。

三維激光技術(shù)古建筑測(cè)繪應(yīng)用

1　前言

建筑的測(cè)繪工作在建筑學(xué)和城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)領(lǐng)域有著非常重要的意義，而建筑測(cè)繪工作相比于在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，更適合古建筑，我國(guó)古建筑數(shù)量非常龐大，要想做好古建筑文明的保護(hù)工作，就必須對(duì)建筑物進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)繪，才能采取合理的保護(hù)措施，而傳統(tǒng)的測(cè)量方式過(guò)于麻煩，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、費(fèi)錢費(fèi)物，而且由于測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取都要靠肉眼，甚至需要估讀，所以不能保證所測(cè)得數(shù)據(jù)的精確性，與實(shí)際建筑數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差較大。三維激光掃描技術(shù)是近幾年古代建筑測(cè)繪領(lǐng)域中新興起來(lái)的一種測(cè)繪技術(shù)，由于其各方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方式，所以在古建筑測(cè)繪領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用，得到了人們的廣泛認(rèn)可。而且三維激光掃描技術(shù)也推進(jìn)了古建筑測(cè)繪工作前進(jìn)的步伐，為古建筑測(cè)繪工作的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

2　傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方式簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的古代建筑物測(cè)繪方式都比較復(fù)雜，一般都是使用卷尺、直尺、標(biāo)桿、鉛垂線等等。需要人工測(cè)量，肉眼讀取數(shù)據(jù)，并且是在二維層面上進(jìn)行測(cè)繪以及對(duì)古代建筑物進(jìn)行分析，并沒有太多可以采取的高科技手段，這在目前科技發(fā)達(dá)、信息全面且獲取速度快、傳播迅速的二十一世紀(jì)就顯得有些滯后，而且不僅會(huì)產(chǎn)生誤差有時(shí)也會(huì)造成對(duì)古建筑的分析了解不夠全面徹底，這也為古代建筑測(cè)繪工作的發(fā)展產(chǎn)生了阻礙。傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，它最大的缺點(diǎn)就是精確度不高，古建筑測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度受到很多因素的影響，環(huán)境因素和人為因素都有可能使古建筑測(cè)繪數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，環(huán)境因素比如所測(cè)古代建筑物的規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、或者是所處的地理位置較高甚至天氣因素等等都會(huì)對(duì)測(cè)繪工作的正常工作產(chǎn)生影響。人為因素則主要是體現(xiàn)在測(cè)繪工作人員的自身原因上，比如說(shuō)因?yàn)闇y(cè)繪時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生視覺疲勞、或者因?yàn)楣ぷ魅藛T本身的技術(shù)熟練程度不夠，職業(yè)素養(yǎng)不高、讀數(shù)不夠準(zhǔn)確等等。傳統(tǒng)古建筑測(cè)量具有太多的不確定性，影響傳統(tǒng)古建筑測(cè)量工作的因素多而雜，所以在這個(gè)優(yōu)勝劣汰的社會(huì)中，傳統(tǒng)古代建筑測(cè)繪方式被其他先進(jìn)的測(cè)繪方式所取代是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

3　三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

三維激光技術(shù)最初起源于美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，在二十世紀(jì)六七十年代出現(xiàn)，最初是用于許多三維模型的構(gòu)建方面，后來(lái)因?yàn)槠溲芯砍鰜?lái)的更加多樣的測(cè)量方式，所以漸漸地被廣泛應(yīng)用于建筑物和古代文物的測(cè)繪方面，目前，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)在國(guó)際范圍內(nèi)得到推廣，在各種行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都可以看到三維激光掃描儀的影子，并且隨著國(guó)際上不同領(lǐng)域的使用和研究，專家們漸漸發(fā)現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)在古代建筑物的測(cè)繪尤其發(fā)揮了重大作用，中而在我國(guó)，三維激光掃描技術(shù)雖然引進(jìn)時(shí)間較晚，但是到目前也算是發(fā)展到了相對(duì)成熟的階段，我國(guó)是一個(gè)歷史文化悠久的國(guó)家，具有五千年的華夏文明，古代上留下來(lái)的建筑物數(shù)不勝數(shù)，所以取藥測(cè)繪保護(hù)的古代建筑物和古代文物數(shù)量眾多，所以三維激光掃描儀在我國(guó)古代建筑物的測(cè)量上發(fā)揮了巨大的作用，對(duì)我國(guó)古建筑測(cè)繪工作的進(jìn)行產(chǎn)生了深遠(yuǎn)意義。我國(guó)第一次將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際是在2002年用三維激光掃描儀對(duì)故宮博物院進(jìn)行了三維測(cè)繪，之后陸續(xù)應(yīng)用到五臺(tái)山佛光寺東大殿等各類古代建筑物的測(cè)繪工作上。大大方便了我國(guó)古代建筑物測(cè)繪工作的進(jìn)行。

4　三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的突出優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在對(duì)比較復(fù)雜的古建筑或古建筑部分的測(cè)量上，因?yàn)槠洳僮骺焖俸?jiǎn)單，而且測(cè)量精度高的原因，使得它大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)古建筑測(cè)量的缺陷。而三維激光掃面技術(shù)在古建筑測(cè)量中的應(yīng)用主要有外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。下面分別介紹這兩個(gè)應(yīng)用部分：

4.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)操作其實(shí)主要包括所測(cè)建筑物的現(xiàn)場(chǎng)情況勘察、測(cè)量點(diǎn)的布設(shè)、測(cè)量標(biāo)靶的布設(shè)和云數(shù)據(jù)采集等等。外業(yè)數(shù)據(jù)采集又包括三維掃描和影像采集兩大部分。三維掃描就是對(duì)所要測(cè)量的建筑物用三維激光掃描儀進(jìn)行整體掃描，掃描時(shí)先需要進(jìn)行測(cè)繪點(diǎn)的布設(shè)，可以根據(jù)建筑物的不同情況不同特點(diǎn)，選擇自由布設(shè)測(cè)繪點(diǎn)，或者固定布設(shè)測(cè)繪點(diǎn)，而且在地貌環(huán)境比較復(fù)雜、建筑物群體比較密集的情況時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卦黾硬荚O(shè)點(diǎn)的密集度，測(cè)繪點(diǎn)的布設(shè)非常重要，必須要根據(jù)建筑物的實(shí)際情況合理安排、嚴(yán)謹(jǐn)選擇布設(shè)點(diǎn)，合理的布設(shè)點(diǎn)對(duì)建筑物全面準(zhǔn)確地測(cè)量具有非常大的作用。另外，在三維掃描時(shí)，沒有必要全部掃描部位的分辨率都特別高，可以根據(jù)建筑部的不同部位靈活調(diào)整掃描分辨率，比如在對(duì)地面或者建筑物的平面部位進(jìn)行三維掃描時(shí)，就可以使分辨率稍微降低，但是在對(duì)建筑物中比較復(fù)雜的部位或結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描時(shí)，就要適當(dāng)?shù)卣{(diào)高分辨率，這樣在保證了建筑物掃描的全面性的基礎(chǔ)上又提高了工作效率，減小了工作量。而且在三維掃描時(shí)，為了能保證掃描結(jié)果最后對(duì)三維建模時(shí)的正確性，需要較為密集的采集數(shù)據(jù)，縮小數(shù)據(jù)間隔，這樣才能在最后建立三維模型的時(shí)候保證能最大化還原所測(cè)建筑物的最真實(shí)原型。其次就是影像的采集，影像的采集對(duì)古建筑工程測(cè)繪也十分重要，影像的采集必須保質(zhì)保量，保證所采集的圖像必須清晰，所以對(duì)拍攝環(huán)境的要求也較高。

4.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

業(yè)內(nèi)操作主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理即數(shù)據(jù)拼接、存儲(chǔ)、使用，CAD圖形的形成以及三維影像的形成等等。所有內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理其實(shí)就是為了形成所測(cè)古建筑的三維立體模型，為了更加透徹了解所測(cè)的建筑物，從而制定相應(yīng)的保護(hù)措施。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、去躁、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的選取和切片等內(nèi)容，所謂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接就是將在實(shí)際測(cè)量中所測(cè)得的古建筑物不同區(qū)域、不同部位、不同構(gòu)件的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，是不同部件的所有數(shù)據(jù)都用到這個(gè)建筑物的整體中，從而形成這個(gè)建筑物完整的三維空間數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)的去躁則是為了篩選刪除一些沒用或者誤差比較大的點(diǎn)云，這樣一來(lái)就會(huì)減少不必要的計(jì)算程序，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，提高了內(nèi)業(yè)操作的工作效率。而且在最后，為各個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取了合適的坐標(biāo)之后，形成的坐標(biāo)圖形必須要經(jīng)過(guò)專業(yè)CAD軟件的切片處理，最后在繪制立面圖。

5　結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)目前在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些問題，需要我們?cè)谑褂眠^(guò)程中不斷摸索不斷解決，而且在儀器投入方面的成本也較高，但是比較于傳統(tǒng)古建筑測(cè)繪方式來(lái)看，大大的減少了工作量和外業(yè)操作的時(shí)間，而且目前我國(guó)的三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，所以三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用一定會(huì)越來(lái)越廣泛，三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪上的應(yīng)用有著巨大的潛在價(jià)值，當(dāng)然，對(duì)于目前使用過(guò)程中存在的不足或者技術(shù)缺陷，我們也應(yīng)該努力尋找解決方案，完善三維激光掃描儀的使用技術(shù)，使三維激光掃描技術(shù)發(fā)揮其真正的價(jià)值。

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［3］王寧等.基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑保護(hù)分析與展望 ［J］.山東建筑大學(xué)2012

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［6］臧春雨.三維激光掃描技術(shù)在文保中的應(yīng)用 ［J］.建筑學(xué)報(bào)2014，12

P2 ［文獻(xiàn)碼］B

1000-405X（2016）-8-313-1