三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用

王 林 （合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230061）

1 引言

三維激光掃描技術利用激光測距的原理，通過高速測量記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速恢復被測目標的三維模型。

根據住房和城鄉建設部《關于請報送歷史建筑測繪建檔三年行動計劃和規范歷史建筑測繪建檔成果要求的函》和《關于印發安徽省歷史建筑測繪建檔三年行動計劃的函》的要求，歷史建筑測繪應完整繪制總平面圖、平面圖、立面圖、平面圖和詳圖，一般通過全站儀結合測距儀等手段實現，本文通過實際案例介紹使用FARO350 PLUS地面三維激光掃描儀、SCENCE配套軟件和AUTOCAD等應用完成測繪全過程。

2 測區概況

皖北黃麓師范烔煬農民實驗文化館（如圖1）建于1950年春，是全國第一個農民文化館，位于巢湖市烔煬鎮烔煬老街的東街入口處，磚木結構，面積八百多平方米，保留了眾多江淮地區建筑風格。建筑特色如下。

圖1 測區范圍示意圖

①布局：東西向沿街布置，三進兩天井無廂房，出入口均朝街，周邊與民居毗連，總計4幢建筑。

②結構：穿斗式木結構與抬梁式木結構相結合。

③屋頂：屋面為小青瓦，第一進屋頂為硬山雙坡頂，其他為單坡屋頂。

④門窗：第一進建筑出入口大門為普通板式隔扇門、沿街窗戶為板式鑲嵌窗（兼有商業功能）、背街面門窗已拆除僅保留門洞和窗洞。第二進建筑門窗已拆除僅保留門洞和窗洞。第三進建筑門窗完整，門為雕花隔扇門、窗戶為雕花隔扇窗。

⑤地面：院落和室外均為青磚地面，室內均為平整水泥地面。

⑥墻體墻面：第一進沿街面二層墻體為木質結構，其余墻體為240mm磚墻。第一進沿街外表面為白色粉刷，其余為青磚墻面。

3 成果技術指標

在實地踏勘的基礎上，確定測繪類型為全面測繪，圖件成果的技術指標如表1。

成果技術指標 表1

4 數據采集

4.1 掃描儀參數

FARO350 PLUS是一款高速三維激光掃描儀，能夠在幾分鐘內為復雜的環境和幾何圖形制作出細節豐富的三維圖像，其主要指標如表2所示。

掃描儀參數 表2

4.2 控制測量

控制測量一方面實現站心坐標系向成果坐標系的坐標轉換，也是控制點云數據之間連續匹配誤差累計的關鍵因素，在實地踏勘的基礎上布設六個控制點，按一級導線精度施測并聯測四等水準，其中第一進二層閣樓布置控制點一個與第一進室內控制點通視（圖2）。

圖2 控制點與掃描站布置圖

4.3 掃描站與點云精度等級

在綜合分析建筑特色和成果技術指標的基礎上，按照“內外一致、精度區別、三架聯測”的原則確定點云精度等級（表3），布設掃描站57站（圖2），遵循如下要點。

掃描站與點云精度等級 表3

①確保相鄰掃描站之間通視，掃描站之間不大于20m。

②建筑內外均采用二等點云精度等級，使用簡易標靶連接。

③繪制詳圖的隔扇門窗采用一等點云精度等級，掃描時固定三個球形標靶位置采用類似導線測量中的“三架聯測法”進行一次內外側傳遞，減少標靶設置的對中誤差，從正面和側面進行掃描，為高精度匹配提供保障。

5 數據處理

SCENE是面向FARO Focus X系列高分辨率三維激光掃描儀的專業軟件，提供了多種功能和工具，能夠高效方便地對掃描數據進行處理和管理。SCENE點云數據處理一般包括新建項目、掃描導入、掃描處理、掃描注冊、掃描導出五個過程。

新建項目和掃描導入較為簡單，建立處理文件夾和文件名，導入外業的掃描站文件（*.fls或*.E57）數據。

掃描處理是對導入的掃描文件通過應用過濾器、彩色設置和創建掃描點云，這個過程應全部通過，否則就存在未處理的掃描站數據。

掃描儀存儲的每個掃描站數據都是以激光與鏡面交點為原點（0，0，0）的掃描坐標系，在SCENCE軟件中，確定不同掃描站之間空間位置關系的過程稱為掃描注冊。掃描注冊的過程與攝影測量中的“定向”類似，分為相對注冊與絕對注冊：相對注冊是通過掃描站之間的重疊點云和自身的傳感器數據如GPS、羅盤和高度儀等確定掃描站之間相對空間關系的過程；絕對注冊是通過標靶與測量控制點進行匹配，實現掃描坐標系向目標坐標系統的轉換。

掃描注冊是點云數據處理的核心，掃描注冊完成后應及時進行數據質量檢查，內容包括最大點間距檢查（一級精度小于3mm、二級精度小于10mm）、相鄰掃描站之間的點云重合率不得小于30%和室內外點云數據應該是一個整體不允許出現分層三項。SCENCE軟件提供很好的檢查工具，如掃描注冊后可以輸出精度報告（圖3）、三維視圖檢查數據分層。

圖3 掃描注冊后的檢查界面圖

掃描導出主要是SCENCE軟件實現導出其他格式數據的功能，如LAS格式、Recap格式等，可以根據后期圖件繪制的不同軟件選擇。

6 成果圖件繪制

歷史建筑測繪的核心成果是繪制總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖和詳圖（如圖4-圖7），可以通過使用EPS2016三維測圖、CASS 3D三維測圖和Auto-CAD等專業軟件實現繪制。

圖4 一層平面圖

圖5一層仰視平面圖

圖6 屋面平面圖

圖7 剖面圖

7 結束語

三維激光掃描技術在突破了傳統的單點測量方法，通過線、面、體的結合可以快速獲取高精度測繪成果，本文通過實際案例分析得出如下結論：

①應用三維激光掃描技術可以高效、高質量完成歷史建筑測繪工作，為類似項目提供借鑒經驗；

②使用三維激光掃描技術進行測繪的過程中，應系統全面地分析測繪目的，從而有針對性設計各項技術指標和重要環節的質量檢查，確保測繪成果質量。