地面三維激光掃描儀在古建筑現狀測繪中的應用

王 寧（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

文物建筑的勘察設計、檢測、鑒定的過程中，其現狀測繪是非常重要的一個環節。文物建筑的現狀測繪包括文物本體的測量和文物本體所處場地測量。由于古建筑的建筑構成十分復雜，曲面結構較多，傳統的測繪方法需要耗費大量人力物力，測繪成果單一且極易損害文物建筑本體。隨著三維激光掃描技術的發展，三維激光掃描技術已經成為空間數據獲得的重要手段。相較于傳統測繪方法，三維激光掃描技術具有非接觸，高精度，全信息，多成果的特點，非常適合文物古建的現狀測繪。三維激光掃描技術在文物古建筑的保護、維修、宣傳展示、數字存檔等多個方面都發揮著重要作用。本文主要研究三維激光掃描儀在古建筑測繪中應用的技術流程。

1 古建筑現狀測繪流程

1.1 外業采集

采用三維激光掃描儀對古建筑進行測繪的數據采集方法與測繪本體及現場的復雜程度和古建筑的測繪深度有關。本體及場地越復雜，掃描設站也就越密集，測繪深度越深，測繪精細度要求越高。測繪文物建筑及所在場地復雜程度見表1。

表1 文物建筑及所在場地復雜程度

根據現場情況優先選擇球形標靶進行拼接，對于極復雜的情況（不適合放置靶球）可使用平面標靶和地物特征點作為測站拼接的公共點。球形標靶大致呈正三角形分布，標靶距離10m以內，高低錯落。平面標靶（地物特征點）作為測站公共點時確保標靶平面與標靶中心（地物特征點）到掃描儀中心連線夾角大于75°。掃描儀的掃描分辨率設置依據掃描距離和測繪深度綜合確定。掃描距離越遠、測繪深度越深掃描分辨率相應設置越高。

1.2 數據處理

古建筑測繪的數據處理主要包括數據預處理和制圖與建模兩個部分。數據預處理包括點云的拼接、裁剪、去噪、重采樣等步驟。制圖與建模包括文物古建的平面圖、立面圖、剖面圖、詳圖大樣等平面圖的制圖以及三維模型重建。

1.2.1 數據預處理

地面三維激光掃描儀點云匹配需要人工選取公共點進行測站拼接，球形標靶和平面標靶可實現自動識別，地物特征點需要人工手動拾取。首先進行點云拼接，統一各個測站的坐標系；掃描儀在掃描過程中由于周圍環境的影響（空氣中的浮塵、運動物體的干擾等）會產生大量的離群噪聲點，這些噪聲點會為后期的制圖與建模產生影響，因此需要去除噪聲點；通過數據裁剪可以去掉與建筑物本體無關的數據，以減小數據量；通過重采樣可以獲得比較均勻的點云數據，便于下一步的制圖與建模。

1.2.2 制圖與建模

1.2.2 .1 制圖

利用三維點云數據制作文物古建筑的俯視圖、正視圖與側視圖，然后對圖像進行矢量化得到平面圖、立面圖與剖面圖等成果。

1.2.2 .2 建模

對古建筑的三維點云數據經過封裝、孔洞填充、網格編輯、紋理貼圖等步驟得到最終的三維模型。

2 應用實例

2.1 古建筑數據采集

本次古建筑的三維掃描使用Z+FIMAGER5010X三維激光掃，相關參數見表2。

表2 Z+FIMAGER5010X三維激光掃描儀參數

根據古建筑現場情況和建筑本體的大小合理規劃測站位置，放置球形標靶，建筑物內外共設置十五個測站，保證相鄰測站掃描無死角。室外掃描儀因掃描距離較遠，因此掃描的精度設置為高，掃描分辨率設置為高；室內掃描測距離相對較小，掃描的精度設置為高，掃描分辨率設置為中，以提高掃描效率。站分布如圖1所示。

圖1 掃描測站分布圖

2.2 數據處理

將數據導入到Z+FLaserControl中進行數據的拼接、去噪等工作，然后數據導入到PointCab中生成平面圖和剖面圖的正射影像，然后在CAD軟件中進行矢量化，繪制建筑平面圖與剖面圖。部分成果圖見圖2。

圖2 部分成果圖

3 結語

三維激光掃描儀精度高，速度快，非接觸的特點使得其在古建筑測繪中具有傳統測繪技術不可比擬的優勢。本文利用Z+FIMAGER5010X三維激光掃描儀掃描古建筑的實例，給出了一種高效的古建筑現狀測繪的技術流程。

通過古建筑的內外部全面掃描，生成古建筑內外點云模型，然后以點云數據為基礎，生成古建筑的平面圖與剖面圖的正射影像，通過對正射影像的矢量化，得到現狀測繪成果。該方法無須在海量的點云數據中提取平面與剖面信息，可極大提高制圖效率。