三維激光掃描技術在萬壽宮古建筑群測量中的應用

查燕萍，龍北平

（江西省煤田地質局 測繪大隊，江西 南昌330001）

1 概述

古建筑測量較為困難，采用傳統的測量方式很難滿足測量要求，主要表現在以下幾個方面：① 古建筑結構復雜，錯落有致，部分區域形狀不規則，測量難度大；② 傳統的測量方式如全站儀、GNSS等，均需要與測量目標接觸方可測量，容易對文物造成損壞；③ 傳統的測量方式均為“點式”測量，即一次測量只能得到一個點的三維坐標，很難真實準確的反映復雜的古建筑。因此，在古建筑測量中，采用新技術、新方法非常必要。

近年來，三維激光掃描技術在考古、古建筑建模等領域中得到了廣泛的應用。如天津大學使用三維激光掃描技術進行古建筑、文物測量，并進行了三維建模〔1〕；西安某機構對秦陵兵馬俑二號坑進行掃描，構建三維立體模型，實現了遺址信息的數字化存儲〔2〕；劉江濤等使用三維激光掃描獲取三星堆遺址的點云數據，并進行三星堆一號坑的三維重建〔3〕。根據萬壽宮古建筑的特點，決定采用三維激光掃描技術進行測量。

2 三維激光掃描技術簡介

2.1 三維激光掃描原理

采用三維激光掃描進行測量時，掃描儀內部發射器發射的激光脈沖通過兩塊快速有序旋轉的反射片反射，并按一定次序掃過目標區域，通過測量激光從發射到接受的時間計算距離，編碼器測量脈沖的角度，從而可以計算出目標點的三維坐標。三維激光掃描的工作原理見圖1。

三維激光掃描具有非接觸測量、主動測量、數據采樣率高、高分辨率、高精度、數字化測量等優點。測量時，可以配合數碼相機獲取建筑物的紋理數據；也可以與全站儀、GNSS等傳統測量方法配合，獲取大地坐標系下的三維坐標數據。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀簡介

本項目使用RIEGL VZ－400三維激光掃描儀，儀器精度指標與性能見表1。

表1 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀參數指標

3 基于三維激光掃描的古建筑群測量

3.1 工程概況

萬壽宮坐落于南昌市區西南隅象湖風景區內，是著名的道教圣地。本次測量繪制出掛有南昌市文物保護建筑牌的古建筑群（16棟）的總平面圖，各單體建筑的平面、立面及剖面圖，并配有實拍圖片。

3.2 控制點布設與測量

首先進行測區踏勘，主要任務是了解測區的基本情況，收集測區的控制點數據，根據三維激光掃描的作業要求，劃分掃描作業面。

為了將掃描數據轉換到大地坐標系下，需要布設控制點、掃描站點和標靶。布設時，需要充分考慮傳統的測量儀器（全站儀、GNSS）的測量要求；同時掃描站點需要選擇在點位穩定、地勢平坦的地方，到測量目標的距離要適中且需要盡可能掃描較大的范圍，與測量目標之間無遮擋；標靶布設在掃描重疊區域，需布設三個或以上標靶，并不能在同一直線上。

采用JXCORS－RTK全站儀等方式按照導線測量的要求進行控制點、掃描站點測量；標靶坐標可以采用全站儀進行測量。

3.3 三維激光掃描

為了將三維激光掃描獲取的點云數據轉換到大地坐標系下，掃描時常采用兩種方法：后視定向法和標靶擬合法。本項目測量時，兩種方法結合使用。采用后視定向法掃描，與全站儀測量的過程相同，在已知控制點上架設三維激光掃描儀，對中整平后進行后視定向，然后即可開始掃描工作。采用標靶擬合法掃描時，首先任選一處架設三維掃描儀器，并同時布設標靶三個以上，為保證精度，標靶的位置距離三維掃描儀器約30m左右，避免標靶在同一水平面上或者在一條直線上；然后利用全站儀測量標靶坐標，同時利用三維掃描儀掃描地形點坐標；最后對標靶坐標進行精掃描，獲取標靶的精確坐標（小于3mm），由此即可將三維掃描坐標轉換為大地坐標。

三維激光掃描時，盡可能避免人員走動，減少異常點的出現。需要設置合適的分辨率，保證數據既不缺失，又不過度冗余，分別設置水平與垂直掃描分辨率，規則區域可以采用低分辨率掃描，結構復雜時采用高分辨率掃描。需要對標靶進行精細掃描，獲取高精度的坐標，提高坐標轉換的精度。測站掃描完成后需要現場檢查掃描數據是否能滿足項目要求，并對掃描數據命名和記錄，包括測站名稱、掃描順序、掃描時間、掃描分辨率等信息。

3.4 數據處理

數據處理包括點云數據整合、圖形繪制和建模等內容。首先根據測站數據和標靶數據進行點云數據配準和轉換，將點位數據轉換到大地坐標系下。采用儀器自帶RiSCAN PRO軟件完成點云拼接工作，首選在測站掃描重疊部分選取三個以上的同名標靶進行粗拼接，然后軟件自動構面并計算兩測站之間的轉換矩陣，完成拼接工作。拼接完成后，根據點云數據中標靶的自由坐標和實測的標靶坐標，設置參與計算的控制點和轉換精度，軟件可以自動匹配坐標，計算轉換矩陣，將自由坐標的點云數據轉換為大地坐標。

經過點云數據濾波處理、點云數據平滑和壓縮等工作，為圖形繪制和三維建模提供原始數據。根據點云數據，可以方便地進行平面圖、立面圖的繪制，并可以進行三維建模，準確反映古建筑的真實狀況。

4 三維激光掃描精度檢核

4.1 標靶精度檢核

選擇部分未參與轉換計算的標靶檢核三維激光掃描的精度，共計檢查56點，結果見表2。

表2 標靶平面精度統計

4.2 免棱鏡全站儀精度檢核

以布設的控制點位起算點，使用免棱鏡全站儀對部分關鍵特征點進行精度檢核，結果表明，三維激光掃描的精度較高，以免棱鏡全站儀成果作為真值，計算三維激光掃描的精度，平面位置中誤差為±4.2cm，高程中誤差為±5.3cm，精度較高，可以滿足古建筑測量的精度要求。

5 結語

在南昌萬壽宮古建筑測量項目中，采用三維激光掃描技術，順利地完成了點云數據采集任務，并根據點云數據進行了平面圖、立面圖的繪制和三維建模。三維激光掃描技術的應用，極大的方便了測量工作。目前，三維激光掃描測量技術已經在竣工測量〔4〕、礦山變形監測〔5〕等領域得到了廣泛的應用，隨著點云數據處理自動化程度的提高，地面三維激光掃描將會得到更加廣泛的應用。

〔1〕白成軍.三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用及相關問題研究〔D〕.天津：天津大學碩士論文，2007.

〔2〕宋德聞，胡廣洋.徠卡HDS應用于秦俑二號坑數字化工程.測繪通報〔J〕.2006，（6）：69－70.

〔3〕劉江濤，張愛武.三維數字化技術在三星堆遺址中的應用.首都師范大學學報（自然科學版），2007，28（4）：68－71.

〔4〕胡章杰，薛 梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規劃核實技術研究〔J〕.城市勘測，2013，（1）：15－20.

〔5〕陳永劍.地面三維激光掃描系統在露天礦監測中的應用研究〔D〕.太原：太原理工大學碩士論文，2009.