三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用初探

(成都理工大學 四川 成都 610151)

引言

古建筑是研究歷史、文化、建筑、藝術等方面重要的實物載體，但是隨著時間的流逝，古建筑受到自然和人為雙重的破壞，對古建筑進行保護和修復甚至是重建勢在必行。如何在不破壞或者損傷古建筑的情況下對古建筑進行快速完整以及高精度的測量一直是一項世界性的難題，直到20世紀90年代，三維激光掃描技術的出現才改變了這一困境[1]，三維激光掃描技術使用激光對目標進行面掃描，精度高，采集到的坐標數據是一種數字信息，可以很方便的傳輸給計算機進行處理，使用CAD,3DMAX等軟件進行三維建模[2]。論文闡述了三維激光掃描技術的原理和特點，并結合實例分析了其在古建筑保護中的具體運用。

一、三維激光掃描技術的概述

(一)三維激光掃描技術的原理。三維激光掃描技術的工作原理即使用掃描儀向被測物體發射激光束，激光束到達目標后返回掃描儀內部的接收器，通過計算激光束返回的時間可以計算出目標和掃描儀之間的距離，再通過激光束反射回來時的角度可以計算出目標和掃描儀之間的水平角和豎直角[3]，十分有利于通過計算機處理軟件來構建被測物體的三維模型、線、面、體以及空間等各種制圖數據[4,5]，曾用于故宮、樂山大佛、等多處古建筑的修復，對于古建筑保護中的測繪工作起到了非常大的作用[8]。

(二)三維激光掃描技術的特點。三維激光掃描技術是用激光進行面掃描測量，具有很多獨特的優勢，特點如下：(1)非接觸式：三維激光掃描技術進行掃描時不需要布置反射棱鏡，無需和目標物體接觸，直接架設儀器對目標進行掃描即可。(2)高精度：由于激光的直線性并且難以被干擾，因此三維激光掃描技術具有很高的精度和分辨率[9]。(3)高效率：三維激光掃描技術實現了從單點測量到面測量的技術進步，因此具有高效率的特點。(4)數字化程度較高、可擴展性：三維激光掃描技術所獲取的數據是數字數據，使用時直接在電腦中調出相關數據即可[10]。(5)應用廣泛：三維激光掃描技術對于測區的限制要求不高，因此具有很強的適應性。

二、三維激光掃描技術獲取數據的過程

準備工作：準備工作階段的任務包括測區踏勘和方案設計。測區踏勘就是測區的自然人文環境，比如地形、河流以及建筑分布等各方面的信息。進行方案設計的目的在于合理地確定測站數、測量路線、安置儀器以及數據采集。

數據掃描：在站點上架設掃描儀，開機并自檢；自檢完成后，設置掃描儀的各項參數；進行后視定向；對目標物進行掃描；目標物紋理數據獲取。

數據處理：點云拼接、點云去噪、點云濾波、數據壓縮以及點云封裝等[11]。點云拼接是在采集目標點云數據時，是基于不同站點的測量數據，但是不同站點的坐標不一樣，因此要將不同站點的數據拼接到一個統一坐標系當中，由于三維激光掃描儀采集到的點云數據可能含有許多的誤差，消除這些誤差的工作就是點云去噪[12]。點云去噪后，點云數據中還是隱藏了一些較小的誤差，因此必須進行平滑濾波處理，得到更加準確的數據。三維點云數據是對目標掃描所采集的大量精確的坐標數據，但同時也存在數據量大、保存不方便、后續數據處理耗時長等問題，因此在不影響表達目標特征和測繪要求的前提下，必須進行數據壓縮簡化[13]。將經過處理的點云數據網格化，創建多邊形幾何模型即點云封裝。

三、實例分析

本文通過山西大同縣境內的一處古代祠堂進行三維激光掃描，來分析三維激光掃描技術獲取古建筑三維數據資料的過程及應用。

使用三維激光掃描儀對祠堂表面進行掃描，獲取坐標點云數據，掃描數據如圖所示；將采集到的祠堂內部結構的點云數據，通過內業處理，得到內部構件的尺寸大小(如圖2所示)。對采集到的點云數據進行內業數據處理，并添加紋理圖像，所得到的點云數據圖像如圖所示。使用CAD或者其他掃描儀配套的軟件可以對處理后的點云數據進行三維建模，構建網絡模型如圖，可以非常直觀的了解到古建筑結構、尺寸大小、紋理信息等每一個細節的信息。可以利用這些信息進行觀察分析，進而對古建筑進行修復和重建，還可以作為重要建筑資料進行保存。

圖1 三維激光掃描建模過程圖

四、結論及展望

三維激光掃描技術是直接獲取掃描面的三維坐標數據，而不是單點數據，從而可以快速的完成點云的數據獲取以及構建目標物體的三維模型，用以分析、計量以及模擬等。這些無疑對古建筑測繪和保護帶來了革命性的變化，極大的提高了工作效率。相信隨著三維激光掃描技術的不斷發展和三維激光掃描儀的進一步改進，三維激光掃描技術將會在古建筑保護中的應用越來越廣。