三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應用研究

張遠翼，張 鷹，陳曉娟

（福州大學建筑學院，福建福州 350108）

三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應用研究

張遠翼，張 鷹，陳曉娟

（福州大學建筑學院，福建福州 350108）

根據(jù)古建筑測繪的特點以及傳統(tǒng)測繪方式的不足，在介紹三維激光掃描儀測量原理的基礎上，結合三維激光掃描儀在古建筑測繪的優(yōu)勢，以福建武夷山市城村趙氏家祠為例，從古建筑數(shù)據(jù)的采集、測繪數(shù)據(jù)的處理到CAD測繪圖紙的生成研究三維激光掃描儀在古建筑測繪實踐中的實際應用效果。針對三維激光掃描儀測繪過程中龐大的數(shù)據(jù)量以及Cyclone軟件缺陷問題，提出了“分組處理、整合拼接”的應對策略。

古建筑測繪；三維激光掃描儀；點云數(shù)據(jù)；Scanstation C10

建筑測繪是建筑學和城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)的一門必修的實踐課。建筑測繪最合適的對象是古建筑，因為古建筑是國家和民族的文化遺產，它們經歷了歷史歲月的滄桑，亟待保護。古建筑保護工作最基礎的一項任務是對保護對象進行完整的測繪，并進行數(shù)據(jù)存檔，以便日后研究或者復原、重建［1］。

古建筑測繪是測繪學在文化遺產保護領域中建筑遺產記錄、監(jiān)測以及保護工程實施等方面的直接應用［2］。傳統(tǒng)的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸而獲取的，最終資料是圖紙和一些文字記錄［3］，很難精確地記錄古建筑的尺寸和現(xiàn)狀信息，一些重要的現(xiàn)場信息，如屋頂梁架、斗拱、雕花等，由于位置較高、結構復雜難以測量，容易發(fā)生遺漏和錯失，而后期補遺將耗費人力、物力、財力和時間等資源。對于有大量古建筑群及其構成環(huán)境的街巷空間而言，人工測繪更加復雜，難度大，不利于對古建筑的保護與數(shù)據(jù)化管理。

三維激光掃描儀的出現(xiàn)則能夠有效地解決上述問題。三維激光掃描儀具有測量精度高、全天候、多方位和操作簡便等特點，在快速獲取三維數(shù)據(jù)并建立三維立體模型方面具有較強的優(yōu)越性。在獲取空間數(shù)字和圖像信息方面，三維激光掃描儀為古建筑測繪提供了一種全新的手段和可能性。

1 三維激光掃描儀的測量原理

三維激光掃描技術是近年來發(fā)展起來的一項高新技術，可全天候、快速、直接、高精度地采集大范圍區(qū)域的三維信息［4－5］。三維激光掃描儀利用三維激光掃描技術的激光測距原理，以點云數(shù)據(jù)密集地記錄目標物體的表面三維空間坐標、反射率和紋理信息，對空間進行真實的三維記錄。激光測距原理主要采用飛行時間測量技術，對于每個點P（x，y，z），掃描儀的激光器發(fā)射脈沖信號，脈沖信號到達物體表面，反射回到掃描儀，可以計算出脈沖信號的飛行時間t。由于光速c＝3.0×108m/s為已知值，因此可以計算出物體表面到三維激光掃描儀的距離S。

假設α為激光束垂直方向的夾角，β激光束水平方向的夾角，如圖1所示，則P點的三維空間坐標：

圖1 被測量點P（x，y，z）的坐標計算

三維激光掃描儀獲取物體表面每個采樣點的空間坐標后，得到的是點的集合，稱之為“點云”（points cloud），它的每一個像素包含的是一個距離值和一個角度值［6］。三維激光掃描儀最終獲取的是空間實體的幾何位置信息、點云的發(fā)射密度值以及內置相機獲取的影像信息。這些原始數(shù)據(jù)不但能夠完整、精確地描述并記錄古建筑的現(xiàn)場信息和尺寸信息，而且還能讓用戶隨時隨地在計算機上對古建筑的細部進行直接測量，并可調用實測數(shù)據(jù)進行古建筑CAD二維圖形精確轉換。因此，三維激光掃描儀能夠提高古建筑測繪精度、效率，節(jié)省測繪的人力、物力和時間，只要對測繪對象合理進行布點定位全面掃描，就不用擔心實測遺漏和錯失問題。

2 三維激光掃描儀在古建筑測繪實踐中的應用

本次測繪實踐以福建武夷山市城村趙氏家祠為對象。測繪儀器采用徠卡（Leica）公司生產的HDS系列一體化三維激光掃描儀Scanstation C10，如圖2所示。該儀器最高掃描速度可達到5萬點/s，模型表面掃描精度可達到2mm，最大測距能力理論值可達300m，儀器內置500萬像素數(shù)碼相機，可同步獲取目標物體的真實影像，為點云數(shù)據(jù)后期處理提供實景圖像數(shù)據(jù)擬合處理。

圖2 三維激光掃描儀Scanstation C10

2.1 古建筑數(shù)據(jù)的采集

由于受物體遮擋、掃描盲區(qū)等影響，在采集古建筑物點云數(shù)據(jù)時，往往需要進行多測站、多方位掃描。首先必須確定測站和測量標靶的數(shù)量及位置，測站的數(shù)量和位置要根據(jù)測量對象物的大小、外觀、復雜度與數(shù)據(jù)需求進行設定，測量標靶的位置要遵循“為下一個測站服務”的原則，盡量做到“多站式兼顧”，即讓盡可能多的測站能采集到標靶的數(shù)據(jù)，這樣有助于減少后期點云數(shù)據(jù)處理的誤差。本次測繪共布設測站點9個，測量標靶9個。布設好測站點和測量標靶后，根據(jù)被測對象的特征及其環(huán)境采光情況調整好掃描的精度和曝光度，然后采集數(shù)據(jù)。圖3所示為采集到的點云數(shù)據(jù)。

圖3 采集到的點云數(shù)據(jù)

2.2 測繪數(shù)據(jù)的處理

由于受視場角的限制以及實體間遮蔽的影響，三維激光掃描儀在一個測站無法獲得目標實體完整的空間數(shù)據(jù)信息，需對目標實體進行多視角掃描，并將各視角的三維數(shù)據(jù)進行拼接，并轉換到同一坐標系中，該過程稱為點云數(shù)據(jù)的拼接［7］。為計算滿足如下目標函數(shù)的平移矢量T和旋轉變換矩陣R、T［8］：

其中pi和qi表示所需要變換的點云。由式（5）可以看出，核心的部分就是如何求得兩個坐標變換參數(shù)，即平移矢量T和旋轉矩陣R。

受移動的車輛、行人以及被測對象周圍環(huán)境遮擋等影響，三維激光掃描儀在采集數(shù)據(jù)時，會產生一些模糊、不規(guī)則的點云，這些被稱之為噪點［9－12］。噪點的存在不僅會影響后期CAD圖形的繪制，而且會占用計算機的系統(tǒng)資源和存儲器資源，因此必須進行去噪點處理。去噪前后的點云數(shù)據(jù)效果如圖4所示。

圖4 去噪前后的點云數(shù)據(jù)效果對比

2.3 CAD測繪圖紙的生成

古建筑測繪的最終目的是得到準確的、能夠真實客觀反映古建筑原貌的CAD圖紙，為古建筑提供系統(tǒng)、詳盡的數(shù)據(jù)存檔，為日后的修復、重建提供可靠的資料。為了優(yōu)化點云數(shù)據(jù)模型，在Cyclone軟件中必須對拼接后的古建筑點云數(shù)據(jù)模型進行統(tǒng)一處理。然后通過Cloudworx插件將點云數(shù)據(jù)模型導入到Auto－CAD中進行切片，再利用AutoCAD的繪圖功能根據(jù)切片特征點和點云數(shù)據(jù)進行繪圖。圖5所示為三維激光掃描儀在“趙氏家祠”測繪中得到的帶點云數(shù)據(jù)的門樓立面圖。隱藏點云，最終得到“趙氏家祠”的門樓立面圖如圖6所示。

圖5 帶點云數(shù)據(jù)的趙氏家祠門樓立面圖

以同樣的繪制方法，得到“趙氏家祠”的剖面圖和平面圖分別如圖7和圖8所示。

圖6 趙氏家祠門樓立面圖

圖7 趙氏家祠的剖面圖

圖8 趙氏家祠的平面圖

3 三維激光掃描儀在古建筑測繪應用中的思考

本次古建筑測繪實踐，無論從精確度、完整性，還是工作效率方面，三維激光掃描技術都表現(xiàn)出傳統(tǒng)測繪所無法比擬的優(yōu)勢。但是，由于三維激光掃描儀所獲取的點云數(shù)據(jù)量相當龐大，中等分辨率掃描一個測站點的數(shù)據(jù)量就達到1.16GB，因此在分析處理時將占用大量的計算機系統(tǒng)資源和存儲器資源。而且，目前三維激光掃描儀配套的Cyclone軟件在處理點云數(shù)據(jù)時，只能做到先進行拼接后再進行去噪處理，而去噪是一個非常繁瑣的過程，稍不細心就會誤刪有效數(shù)據(jù)。因此，為了減小計算機處理數(shù)據(jù)的開銷，提高計算機的數(shù)據(jù)處理能力，針對測站較多的情況，筆者認為可以采取“分組處理、整合拼接”的方法，即先將測站進行分組，每一組由3～5個測站組成，每組分別拼接并去噪，然后導入到AutoCAD中分別繪圖，最后再運用Auto－CAD的插入或外部調入功能，將各個組所繪好的CAD圖完好地合并到一起?！胺纸M處理、整合拼接”策略流程如圖9所示。另外，本次測繪將以往使用的“黑白標靶”改為“球形標靶”，在數(shù)據(jù)拼接過程中發(fā)現(xiàn)其精度大大提高，甚至可以達到零誤差。

圖9 “分組處理、整合拼接”策略流程圖

4 結束語

三維激光掃描儀作為古建筑測繪的一種新的技術手段，必將會在古建筑測繪應用中得到普及和推廣，并在歷史建筑保護與再生利用領域中發(fā)揮重要的作用。當然，軟件方面存在的不足，比如各種普通的特征提取與處理算法直接應用于歷史建筑重建中還有一定距離，點云數(shù)據(jù)向CAD圖紙轉化的自動化程度較低，這都是目前困擾實際應用的一個重要難題，這些將是日后應用研究解決完善的重要方向。

（References）

［1］王炎松，謝飛.古建保護對于三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的用戶需求：以古建測繪中的數(shù)據(jù)處理為例［J］.華中建筑，2008，26（4）：130－132.

［2］左光之.古建筑測繪教學的研究與探討［J］.科技信息，2010（23）：188－189.

［3］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）：274－278.

［4］石若明，朱凌，沈濤.建筑規(guī)劃類院校的3S技術教學設計［J］.實驗技術與管理，2011，28（3）：212－216.

［5］尹玉廷.地面3維激光掃描技術在古建筑保護中的應用研究［J］.測繪與空間地理信息，2013，36（2）：91－94.

［6］路興昌，張艷紅.基于三維激光掃描的空間地物建模［J］.吉林大學學報：地球科學版，2008，38（1）：167－171.

［7］高盼，李磊，郭廣禮.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的實體構筑物三維建模［J］.測繪信息與工程，2011，36（4）：10－12.

［8］潘志峰.三維激光掃描技術在3DGIS數(shù)據(jù)庫建模及可視化中應用研究［D］.西安：長安大學，2011.

［9］丁燕，張紀平，王國立.三維激光掃描技術在西藏白居寺保護中的應用及思考［J］.古建園林技術，2010（3）：24－29.

［10］孫新磊，吉國華.三維激光掃描技術在傳統(tǒng)街區(qū)中保護中的應用［J］.華中建筑，2009，27（7）：44－47.

［11］白成軍，吳蔥.文物建筑測繪中三維激光掃描技術的核心問題研究［J］.測繪通報，2012（1）：36－38.

［12］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］.文物，2011（8）：84－89.

Research on application of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping

Zhang Yuanyi，Zhang Ying，Chen Xiaojuan
（School of Architecture，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

On the basis of the characteristics of ancient architecture mapping and the deficiency of traditional survey methods，this paper introduces the measuring principle of 3Dlaser scanner at first.Then，combined with the advantages of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping，taking the“Zhao Ancestral Hall”which is an ancient building in Wuyishan City of Fujian Province as an example，this paper studies the practical application effect of 3Dlaser scanner used in ancient architecture mapping，from the collection of ancient architecture mapping data and mapping data processing to the generation of CAD drawings of surveying and mapping.Finally，aiming at the technical problems of a large number of data generated in the application process and the software defects of Cyclone，this paper puts forward a specific coping strategy which is“packet processing，integrated splice.”

ancient architecture mapping；3Dlaser scanner；point cloud data；Scanstation C10

TU198.6；TN249

B

1002－4956（2014）1－0079－04

2013－05－13 修改日期：2013－09－27

2012國家科技支撐計劃課題（2012BAJ14B05）；國家自然科學基金項目（51278123）；福建省自然科學基金項目（2011J01303）；福建省中青年教師教育科研項目資助（JA13048）

張遠翼（1980—），男，廣東潮州，碩士，實驗師，研究方向為計算機技術在建筑與城市規(guī)劃中的應用

張鷹（1963—），男，福建福州，博士，教授，研究方向為古建聚落保護與再生及人居環(huán)境科學.

E－mail：architecture＠fzu.edu.cn