三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用

王苑楠，井發明，費佳寧

（1. 寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用

王苑楠1，井發明1，費佳寧1

（1. 寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315042）

針對傳統歷史建筑測繪方法的不足，研究采用三維激光掃描技術快速獲取歷史建筑高精度、高密度的點云數據，在此基礎上制作出準確、完整的現狀圖紙，并進行三維仿真精細建模。試驗證明，三維激光掃描技術能夠很好地滿足歷史建筑測繪的要求，為歷史建筑測繪提供了高效全新的技術手段。

三維激光掃描；點云；歷史建筑測繪

歷史建筑測繪需要測繪其形狀、大小和空間位置，以及相應的平面圖、立面圖和剖面圖等[1,2]。傳統的手工測繪方法精度低，容易損壞建筑物。近景攝影測量方法數據獲取方法不夠靈活，且需要復雜的處理才能夠得到成果。三維激光掃描技術通過高速激光測距，瞬時測得空間三維坐標值，獲取空間點云數據，更真實地還原被測對象的原形原貌，為歷史建筑的測繪工作提供了新途徑[3]。本文對三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用進行研究，證明其能夠很好地滿足歷史建筑的測繪要求。

1 三維激光掃描技術

三維激光掃描儀通過發射激光束到旋轉式鏡頭中心，一旦接觸到物體，光束立刻被反射回掃描儀。通過測量激光的位移數據反映出激光與物體之間的距離，用編碼器測量鏡頭旋轉角度與激光掃描儀的水平旋轉角度，以獲得每一個點的高精度三維坐標值[4]，如圖1所示。用三維激光掃描儀掃描目標體，可獲得大量的點數據。再使用高清數碼相機拍攝和后期配準，每個點可以包含X、Y、Z、R、G、B等6位信息，因此能夠快速獲取目標詳盡、高精度的三維立體模型和紋理數據。

圖1 三維激光掃描工作原理

三維激光掃描采用非接觸測量方式，能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數據。將所測量的對象按1︰1實景復制三維成型，反映出所有的結構信息，由傳統的手工測量轉變為室內計算機對點云數據的高精度測量，并在此基礎上制作出建筑準確、完整的現狀圖紙，其現狀點云數據庫可作為電子數據永久存檔。三維激光掃描避免了人工接觸對象造成的建筑損壞、測量精度不高、測繪人員人身安全等不利因素；且在解決一些疑難問題時具有極大優勢，如對于歷史建筑中的各類曲線形式、雕刻、文字、彩畫及毀損、殘缺等狀況，在點云中可以方便地勾畫出來，迅速測量所有需要的尺寸。

2 三維激光掃描技術的應用

采用地面三維激光掃描儀對寧波市某歷史街區的歷史建筑進行掃描，獲取建筑內外部的點云數據，然后對點云進行配準和拼接處理，獲取建筑完整的點云數據，在此基礎上繪制建筑平面圖、立面圖和剖面圖，并進行三維仿真建模，如圖2所示。

圖2 三維激光掃描的應用流程

2.1 外業數據采集

1）作業方案制定：首先對現場進行踏勘，確定掃描作業方案，在建筑內外部合理布設測站點。

2）激光點云的定位定向：激光掃描需要提供點云后期定位定向參數，因此需測定測站點和后視點的三維坐標。

3）點云獲取：在各測站點上架設激光掃描儀，后視點上架設靶標球，利用地面三維激光掃描儀對現場進行掃描，獲取建筑外部和內部的點云信息。

4）影像獲取：本項目采用的激光掃描儀為RIEGL VZ-400，能夠在掃描點云的同時獲取物體表面影像。除此之外，需補充對建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照，對重要的保護建筑進行錄像，直接作為數據存檔。

2.2 點云數據處理

外業掃描獲取的點云數據導出后，除常規的點云預處理之外，主要進行點云配準和拼接。利用標定參數實現點云和影像之間的映射，對點云和對應的影像進行配準，從而實現對點云的賦色，得到建筑表面的真彩色點云成果。

外業掃描獲取單站的點云，通過控制點定位和靶標球定向的方式進行拼接，將各站點云歸至同一坐標系下，合為一個測區的整體點云成果。如圖3所示，建筑的彩色點云已經能夠立體展示其結構和紋理，快速實現了三維成型，點云數據庫則作為電子數據進行數字化存檔。

圖3 建筑整體點云成果

2.3 建筑圖繪制

掃描所得的點云數據不僅外形與實物一樣，其包含的幾何信息也與實物完全一致。采用Pointools for CAD導入點云數據，通過提取建筑結構特征和量測距離，按合適比例繪制專業的建筑平面圖、立面圖和剖面圖。平面圖要求標注墻中軸線、墻體布置及寬度、門窗定位、樓梯、庭院外廊立柱、陽臺、室外臺階；立面圖標注門窗定位及高度、檐口和屋脊標高、4個方位的立面，繪制單線圖；剖面圖標注屋架擱置方向，地面、室外、檐口、屋脊、屋架下弦標高；發現墻體較大裂縫和其他較嚴重的毀損，附加簡單注明。

圖4、圖5、圖6為繪制好的平、立、剖面圖，這種出圖形式是大多數后續改建設計應用中所需的主要成果形式，它真實完整地反映了建筑物保存現狀，清晰準確地表現了建筑物的結構，且基于點云繪制的建筑圖尺寸更加準確，對一些曲線結構形式也能夠更加方便準確地測繪。另外如圖7所示，也可以直接對賦色的點云進行標注出圖，在有些應用方面能夠更加直觀地反映建筑情況。

圖4 建筑立面圖

圖5 建筑平面圖

圖6 建筑剖面圖

圖7 點云賦色標注出圖

2.4 三維仿真建模

根據點云數據對建筑進行三維仿真建模，利用軟件提供的繪圖工具繪制建筑表面輪廓線，分析和制作建筑的主體幾何結構，從而搭建建筑幾何模型（圖8），已繪制完成的建筑平、立、剖面圖也可直接用于三維仿真建模。后續將幾何模型導入3dsMax等專業建模軟件中對模型進一步細化和完善，并賦予紋理貼圖，制作建筑精細模型（圖9），不但作為數字化存檔，并能夠結合GIS實現虛擬現實瀏覽與展示。

圖8 基于點云繪制的立體模型

圖9 建筑精細三維模型

3 結 語

三維激光掃描技術在獲取三維數據方面有著無可比擬的優越性，在此基礎上進行三維仿真建模，繪制其平立剖現狀圖紙，實現歷史建筑的數字化存檔，為歷史建筑的保護、修復和改造等工作提供了詳實的資料。后續還可以通過將建筑的三維掃描模型與設計BIM模型比對，能夠快速發現改造前后的不同，從而在對舊建筑保護的基礎上修正BIM模型，完成最合理的改造設計。

[1] 劉宇． 歷史建筑的保護與再利用[J]． 科技信息,2011(35):195-196

[2] 王其亨，吳蔥，白成軍． 古建筑測繪[M]． 北京：中國建筑工業出版社，2006

[3] Mody F K, Hale A H． Borehole Stability Model to Couple the Mechanics and Chemistry of Drilling-fluid/Shale Interactions [J]．J Petrol Tech， 1993：1 093-1 101

[4] 周立，李明，毛晨佳，等． 三維激光掃描技術在古建筑修繕測繪中的應用[J]． 上海建設科技，2011(4)：47-48

[5] 余明，丁辰，過靜珺． 激光三維掃描技術用于古建筑測繪的研究[J]． 測繪科學，2004，29(5)：69-70

[6] 丁寧，王倩，陳明九． 基于三維激光掃描技術的古建保護分析與展望[J]． 山東建筑大學學報，2010，25(3)：275-276

P234

B

1672-4623（2014）05-0116-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.042

王苑楠，碩士，工程師，研究方向為攝影測量、激光掃描和三維仿真技術。

2013-11-18。