三維激光掃描技術(shù)在古墓測繪中的應(yīng)用

吳吉賢，徐曉峰，杜海燕

(1. 燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司， 北京 100001; 3. 輝固地球數(shù)據(jù)(秦皇島)有限公司，河北 秦皇島 066004)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術(shù)在古墓測繪中的應(yīng)用

吳吉賢1，徐曉峰2，杜海燕3

(1. 燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004； 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司， 北京 100001; 3. 輝固地球數(shù)據(jù)(秦皇島)有限公司，河北 秦皇島 066004)

古建筑物的保護(hù)或復(fù)原工作尤為重要。古建筑保護(hù)復(fù)原的基本工作是通過建筑物的尺寸、位置、相對關(guān)系等關(guān)鍵數(shù)據(jù)繪制建筑物圖集。建筑測繪是獲取數(shù)據(jù)的必要手段，也是研究中國古建筑歷史和建筑理論的輔助措施。古建筑物測繪就是借助既有的測量儀器，使用規(guī)定的測量方法，測量獲取建筑物構(gòu)件的尺寸和拓?fù)鋽?shù)據(jù)，進(jìn)而繪制相關(guān)圖紙并撰寫測繪技術(shù)報告，即綜合運(yùn)用測量和繪圖技術(shù)來記錄和表達(dá)古代建筑。

1 古建筑測繪方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和測繪儀器的更新?lián)Q代，古建筑測繪方法更加多樣化，且不同方法對應(yīng)的測量精度也各不相同。傳統(tǒng)的測繪方法是以直尺、角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸，獲取的最終資料是圖樣(即圖紙)和一些文字記錄。傳統(tǒng)測繪方法主要以少數(shù)合理選擇的特征點替代建筑物整體，通過獲取特征點的屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)一步繪制出建筑圖紙。張文江等使用經(jīng)緯儀對建筑物進(jìn)行了無損測繪;廖小輝等證明了全站儀在古建筑測繪中的可行性;張為成等使用全站儀結(jié)合數(shù)碼相機(jī)繪制了建筑立面圖。以上方法均以特征點為基礎(chǔ)進(jìn)行測繪，特征點的優(yōu)劣直接影響最終建筑物圖紙的精度，且其選擇主要依靠測繪工程師的個人經(jīng)驗和臨場判斷能力，具有較大的不確定性。隨著激光技術(shù)的革新，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，通過三維激光掃描儀，將現(xiàn)實場景以三維激光點云的形式存儲與再現(xiàn)，實現(xiàn)了從單點測量到面狀測量、從平面測量到立體測量的轉(zhuǎn)變。三維激光掃描技術(shù)是通過拼接、去噪等預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)，將繪制古建筑測量系統(tǒng)和無合作對象的激光測距系統(tǒng)組合在一起的一種快速測量系統(tǒng)。其以高密度、高精度的點云數(shù)據(jù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測繪單點測建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型，具體操作流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描技術(shù)古建筑測繪流程

2 三維激光掃描案例

2.1 測區(qū)概況

測區(qū)坐落于河北省保定市曲陽縣南15 km、羊平鎮(zhèn)田莊村東的田莊墓葬，坐北朝南，長66 m，封土為直徑34 m的圓形。入口至地表落差約2 m，最深處距地表約8 m。地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總墓室數(shù)為12個，全部為青磚砌筑。墓葬開挖土壙面積達(dá)675 m2。

2.2 技術(shù)方案及作業(yè)

項目選用Trimble TX5三維靜態(tài)掃描儀作為主要測量儀器。由于田莊古墓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，死角較多，基于對成圖精度和古墓完整性的考慮，通過現(xiàn)場踏勘，最終確定測站點22個(如圖2所示)。比較不同作業(yè)模式下儀器測量的精度，數(shù)據(jù)點云拼接模式選用有標(biāo)靶和無目標(biāo)配準(zhǔn)兩種模式。每一站單獨獲取點云數(shù)據(jù)，無目標(biāo)模式下點云采用絕對坐標(biāo)模式，有標(biāo)靶模式則為相對坐標(biāo)模式。測量外業(yè)共耗時3 h。外業(yè)作業(yè)完成后，采用Trimble 3D靜態(tài)激光掃描儀后處理軟件RealWorks，在無目標(biāo)配準(zhǔn)下，22站測量數(shù)據(jù)拼接成功共花費25 min，拼接精度為4.3 mm，并生成配準(zhǔn)報告；有標(biāo)靶配準(zhǔn)狀態(tài)下，點云拼接耗時5 min，精度為1.9 mm，并生成配準(zhǔn)報告(如圖3所示)。

圖2 三維激光掃描測站點分布

圖3 TC001號點配準(zhǔn)報告(有標(biāo)靶)

2.3 數(shù)據(jù)成果展示

三維激光掃描后處理軟件在彩色點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合內(nèi)置高像素全景相片可以生成渲染圖、等高線圖、任意方向的剖面圖，以及以三角網(wǎng)為基礎(chǔ)的三維模型圖，借助于3ds Max等專業(yè)建模軟件，還可以將殘缺部分復(fù)原，如圖4所示。以上功能為古建筑物保護(hù)提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，且精度較高。

圖4 三維激光掃描數(shù)據(jù)成果展示

因此，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于古墓保護(hù)測繪，作業(yè)模式較傳統(tǒng)模式方便、快捷，大大降低了勞動強(qiáng)度，測量精度高，模型化精度高且精度均勻，可全天候進(jìn)行測繪工作。后期數(shù)據(jù)處理后，以彩色點云為基礎(chǔ)，可生成滿足各種需求的生產(chǎn)用圖。通過此方法，可分類建立建筑物三維點云數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)古建筑物測繪數(shù)據(jù)庫的多維度利用，如建筑物平面圖、立面圖、剖面圖的重建，建筑物變形觀測，建筑物局部區(qū)域特征細(xì)節(jié)刻畫，建筑物損壞部位的恢復(fù)等。

3 結(jié)束語

本文使用Trimble TX5三維激光掃描儀對田莊古墓進(jìn)行了測繪復(fù)原工作。該方法操作方便，工作效率高，可全天候作業(yè)，無接觸測量模式對建筑物零損壞，克服了傳統(tǒng)測繪作業(yè)勞動強(qiáng)度大、外業(yè)操作復(fù)雜、難以表達(dá)復(fù)雜建筑物等缺點。測量成果經(jīng)后期處理，可生成各種圖紙，滿足不同層次、不同類別工程技術(shù)人員的需求。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)

國家自然科學(xué)基金青年基金(51308486)

吳吉賢(1981—)，男，碩士生，講師，主要從事土木工程測量方面的科研教學(xué)工作。E-mail: wjx44@163.com