三維激光掃描儀在古建筑檢測中的應用探究

張濤濤

（合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230001）

0 引言

我國古代建筑一直以來都是中華優秀傳統文化的一個重要組成部分，以木質結構為主的建筑群體構件數量多、類型豐富，在這種情況下古建筑的檢測難度非常大。而且在古代建筑物通常情況下都是以組群的形式出現，其中不僅包含了木構架古建筑，同時也包括了一些磚石結構的牌坊和照壁等。古建筑測繪對文物保護以及中國歷史研究具有深遠意義。但是當前的古建筑群在經歷百年甚至千年之后在不同程度上遭到了破壞，因此采取有效的檢測措施對古建筑的保護和修繕具有重要的實踐意義。傳統檢測手段耗時耗力，而且在測量精細化方面不能達到古建筑保護需求，三維激光掃描技術的出現可以通過快速獲取點云數據來收集豐富信息，在此基礎上就可以實現三維建模，在古建筑測繪、恢復方面體現出了極大優勢。

1 三維激光掃描儀基本原理

作為一項近年來才出現的高新檢測技術，三維激光掃描技術在實際應用過程中體現出了高精度、便捷、全天候等一些特征，可以針對較大范圍區域快速采集三維點云信息[1]。三維激光掃描儀在實際的應用過程中主要利用的是激光測距的基本原理，通過高速激光掃描測量的方法，快速獲取目標物體表面的三維空間坐標、紋理信息，同時可以通過專業軟件和點云數據建立物體真實的三維模型。激光測距技術是一種利用激光飛行時間進行測量的技術，例如在針對三維空間中某一點A（x，y，z）進行測量的過程中，首先將三維激光掃描儀放置在測量點，利用激光器發出脈沖信號，當脈沖信號到達物體表面時會被反射回掃描儀，這樣就可以將脈沖信號在掃描儀和物體之間的飛行時間t 計算出來。由于光速本身屬于一個已知值，此時就可以精確的計算出三維激光掃描儀與物體表面之間的距離S。計算公式如式（1）所示：

在整個計算過程中假設激光束垂直及水平方向的夾角分別為α 和β，如圖1 所示，A 的上面空間坐標為：

圖1 被測量點A（x，y，z）三維坐標

針對被測量物體表面的各個采樣點利用三維掃描儀獲取其空間坐標后，就可以最終得到一個點的集合，此時通常將該集合稱為是“點云”，點云的每一個像素表達的是一個距離值以及一個角度值的集合。利用三維激光掃描儀可以針對三維空間中的某一個實體較為精確的獲取其幾何位置信息、點云發射密度值，同時還可以通過其內置相機來獲取相應的影像信息。充分利用這些原始數據可以對古建筑的尺寸信息以及現場信息進行精確描述，而且將數據信息輸入到計算機后還可以完成古建筑內部細節的尺寸測量，通過實測數據還可以完成CAD 二維圖形的轉換[2]。由此可以看出，在古建筑測繪領域中利用三維激光掃描儀能夠全面提升測量精度和測繪效率，而且也可以為測繪工程節省大量的人力、物力和時間，在實際進行測量的過程中只需要保證布點的合理性，通過全面掃描就可以保障實際測量的精確性，能有效避免傳統測量方法中經常出現的遺漏或測量失誤的問題。

2 三維激光掃描儀在工程實測中的應用

中國現存的古建筑群落數量龐大，但是古建筑群落在歷史發展過程中由于經歷各種災害，導致很多古建筑群落遭到了不同程度的破壞，因此對于我國當前的古建筑保護來說建立數據庫是非常重要的一個環節，只有通過數據庫的方式才能夠將古建筑的原始數據保留下來，這樣才能為后期的修繕加固提供充足的數據支撐。三維激光掃描技術能夠對實體表面實時快速掃描，同時獲取密度更高、精度更好的三維點云坐標數據，在采集復雜、不規則三維數據后，可以利用計算機完成實體表面三維模型的構建。通過三維激光掃描技術批量掃描古建筑群落，這樣就可以完成逆向模型構建，同時利用CAD、BIM 等先進繪圖軟件進行建模，這樣就可以建立起完整的古建筑數據庫，從而利用數據化、信息化的檢測方法來對后續古建筑的保護和修繕提供有效支撐[3]。

山西王家大院（圖2）坐落在山西靈石縣，在靈石縣城東12km處有中國歷史文明古鎮靜升鎮。王家大院是由靜升王氏家族在清明兩朝修建而成，歷時300 余年，整個建筑群落包括了五巷六堡一條街，實際占地面積達到25 萬m2，屬于極具傳統文化特色的一座古建筑群落，目前已經被列入國家4A 級景區和文物重點保護單位。王家大院在整體格局上采取的是西周時期的前堂后寢建筑風格，這種庭院風格可以為人們提供更多的交往空間，同時也能夠保證私密空間，也能夠體現出中國古代封建社會傳統的尊卑貴賤，也展示著古代封建社會官宦門第的宗教禮法。王家大院在后期的修繕過程中三維激光技術的應用也非常廣泛。

圖2 山西王家大院

王家大院在加固修繕之后檢測建模涉及的結構建筑結構尺寸非常多，傳統測量方式下只能使用卡尺或卷尺等測量儀器來完成木質構件的測量，在這種情況下古建筑群的入墻木柱、木梁等相關構架尺寸無法進行精確檢測，而利用三維激光掃描技術則可以有效解決這一難題。三維激光技術對整個建筑群落進行批量掃描后快速獲取點云數據，同時獲取的點云數據利用計算機軟件進行擬合、去噪處理后，就可以結合建筑的原木構件弧面來實施擬合，完成擬合后的幾何形體可以完成其截面尺寸的直接測量，這樣就能夠對入墻木柱、入墻木梁等相關構件的尺寸進行精確檢測。與傳統測量技術相比較，三維激光掃描技術在古建筑入墻木結構尺寸的測量方面精度更高[4]。在當前的文物建筑保護領域中針對一些障礙物拆除難度大的工程也可以充分利用三維掃描技術對障礙物所遮擋的木架結構進行進行測量，這樣不僅能夠極大的降低現場工程測量的工作量，而且也有效保障了工程測量的安全。

利用收集的點云數據即可完成后續測量過程中墻體變形量、木柱垂直度監測等相關項目，例如山西王家大院其中某一種山強出現了嚴重變形現象，在加固修繕過程中為了能夠對該建筑山墻加固后進行修正，針對該變形山墻進行了監測，監測過程中以一米為間隔對變形山墻的傾斜量進行測量，在傳統檢測方法下通常情況下需要利用全站儀以15～20d 為間隔對傾斜量進行測量，同時針對變形山墻的外觀形態利用相機進行持續記錄，整個測量過程非常煩瑣，利用三維激光掃描儀則可以以15～20d 為間隔對建筑進行多次掃描，這樣就可以將山墻的變形趨勢檢測出來，同時對獲取點云數據利用計算機軟件進行處理后就可精確計算出墻體產生的傾斜量，同時也能夠找出山墻產生大幅度傾斜的部位，這樣就可以利用精確數據對山墻的后續修繕保證給予指導，入墻木柱點云數據如圖3 所示。

圖3 入墻木柱點云數據

在完成點云數據的掃描之后可以將數據導入CAD 中，利用CAD 的相關工具可以進一步給出該建筑群的平面圖、立體圖以及剖面圖等，同時也可以在二維圖形的基礎上利用BIM 完成逆向三維建模，這樣就可以將建筑群的一手真實資料保留下來，在后期進行建筑修繕加固的過程中有充足的數據支撐，王家大院三維效果如圖4 所示。

圖4 王家大院

3 三維激光掃描儀外業數據采集精度影響因素

目前我國三維激光掃描技術仍然處在初期發展階段，在該技術的學術理論研究方面仍然不夠成熟，也并未形成該技術實際應用的相關評價體系。在對三維激光掃描儀的實際應用以及數據采集精度分析的規律進行總結后，可以得出以下影響精度的一些因素。

3.1 掃描距離受標靶的影響

根據相關資料可以發現，標靶點厚度與掃描距離之間并不存在直接的相關性。標靶點云數據在不同的掃描距離下基本保持穩定，其標準差始終能夠處在3mm 的范圍內，點云厚度可以將標靶匹配精度直觀反映出來[5]。由此也可以看出，掃描距離在標靶類型相同的情況下受到的影響是穩定的，在針對所有重復基線的平均掃描距離進行精確求取后，就可以找出其與理論數字之間的差異，進而求出基線重復測量中出現的誤差，通過該誤差就可以對掃描儀表面掃描精度是否與標靶掃描精度2mm 的要求相符進行精確判斷。

3.2 掃描數據精度受掃描間距的影響分析

在針對建筑物進行掃描的過程中，三維激光掃描儀最終獲取的是點云數據，但是點云數據本身是大量數據的集合，因此對于一個未知點其具體坐標并不能進行精確測量，這也從某一個層面上反映出三維激光掃描儀的檢測具有一定的盲目性。如果針對某一建筑物或者是被測量對象的細部特征進行表達的過程中就必須要應用到高密度的點云數據，因此掃描間隔的設置會較小，但是掃描間隔過小的情況下又會導致點云密度過高等現象的出現，此時會出現數據冗余等問題，進而影響計算機軟件處理的運行速度，數據處理效率也會受到影響。鑒于這種狀況，針對建筑物的特征點可以從測站進行選擇，并利用選取點的坐標誤差來進行評價。在實際進行工程測繪的過程中，如果建筑物本身表面具有一定規則性，在掃描過程中可以充分利用規則平面相交等方式讓特征點的獲取精度更加精確和可靠。

3.3 工程測繪實踐三維激光掃描儀應用的思考

在對王家大院的測繪實踐中可以發現，相較于傳統的測繪技術，三維激光掃描技術在完整性、數據采集精確性以及工作效率方面都具有無法比擬的優勢。但是三維激光掃描儀在實際測繪過程中獲得的點云數據量非常大，針對一個測量點進行中等分辨率掃描的過程中，實際能夠獲取1G 左右的數據量，這樣在后期進行計算機軟件處理的過程中會占用大量的系統資源和存儲器資源。三維激光掃描儀針對獲取點云數據的處理通常配置的是Cyclone 處理軟件，該軟件進行點云數據處理的過程中通常是先進行拼接后完成去噪處理，而點云數據的去噪處理本身屬于一個非常復雜的過程，如果操作不當很可能會導致有效數據被誤刪。因此為了將數據處理過程中計算機的開銷進行有效控制，全面提升計算機系統的數據處理能力，在測站較多的情況下，可以充分利用“分組處理、整合拼接”的方法，也就是將多個測站進行分組后，按照不同組進行拼接去噪，隨后將數據導入到CAD 繪圖軟件中完成圖形繪制，同時也可以利用CAD 外部調入或者是插入等工具對各組的CAD 繪制圖形進行拼合。圖5 為基本的處理流程。

圖5 “分組處理、整合拼接”處理流程

此外，為了進一步提升數據拼接過程中的數據進度，可以將工程測量過程中使用的“黑白標靶”利用“球形標靶”進行替代，在這種情況下實際測量過程中可以做到零誤差測繪。

4 結語

在古建筑測繪過程中，三維激光掃描儀屬于一種新型的測繪技術手段，在未來古建筑測繪領域中，三維激光掃描技術必將實現普及應用，而且在歷史建筑文物的保護、再生可利用資源領域中也必將發揮出重要作用。但是目前三維激光掃描技術在應用過程中仍然存在計算機軟件性能不足等一些問題，例如在古建筑重建過程中仍然無法實現各類普通特征提取與處理算法的直接應用，而且點云數據與CAD 圖紙轉化也無法實現完全自動化，這也是古建筑測繪領域中三維激光掃描技術應用的一個難點所在，在未來研究過程中，隨著技術的不斷發展，三維激光掃描技術的應用必將更加廣泛。