三维激光扫描在历史建筑物数字存档中的应用_夏磊凯.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：夏磊凯（），男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，年毕业于河海大学测绘工程专业，主要从事新型测绘技术及三维建模等方面的应用研究工作。三维激光扫描在历史建筑物数字存档中的应用夏磊凯，魏子雄（南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京；南京市城市地下管线数字化管理中心，江苏 南京）摘要：随着社会的发展，人们对历史建筑物的保护意识逐渐加强。很多优秀历史建筑物在建造时并无设计图纸，因此一旦遭受破坏很难复原。为了保护历史建筑物，同时也为历史建筑物的管理、修缮、复建等提供参考资料，需采用测绘手段对历史建筑物进行全方面数字化存档工作。本文利用三维激光扫描技术对历史建筑物进行全方位测绘，得到历史建筑物的点云数据，再对点云数据进行拼接、过滤、横剖、建模等处理，得到建筑物的平面图、立面图、剖面图、三维模型等数字化成果。对数字化成果进行存档，为今后历史建筑物的保护、修缮等提供重要参考资料。关键词：历史建筑物；三维激光扫描；点云；数字化存档中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言历史建筑物作为人类发展历史重要的见证者，一直被传承。随着人们文化水平的提高，对历史建筑物的保护意识也逐渐增强。因古代工匠文化知识受限，历史建筑物并无相关存档资料。为了更好地保护和管理优秀历史建筑物，如何准确、快速地还原建筑结构并进行长久存档是我们要解决的重要问题。还原历史建筑物建筑结构首要工作是对其进行准确、全面的测绘。目前，历史建筑物测绘主要有手工量测、全站仪架站测量、无人机倾斜摄影、三维激光扫描仪等方法。使用传统皮尺手工量测精度不高，效率低，无法准确确定建筑结构相对关系；使用全站仪测量具有架站多、不易通视、易缺漏特征点、工作效率低等缺点。历史建筑物一般布局复杂，有外大门、倒座房、东厢房、西厢房、厨房、东廊、西廊、檐廊、正房、庭院等，采用无人机倾斜摄影只能获取建筑上方结构，无法获取内部结构。三维激光扫描测量技术具有免接触、高精度、高效率、大范围等优点，它可以采集布局复杂的建筑物，并可以在复杂地形环境中采集建筑物特征点。三维激光扫描外业可以获取点云和全景照片，内业可以得到具有地理坐标的拼接点云数据、平面图、立面图、剖面图、屋顶投影图和三维模型。以上成果都是历史建筑物数字化存档的重要资料。数据处理 三维激光工作原理三维激光扫描主要由激光扫描系统和测距系统两部分组成，它主要是通过扫描仪发射激光信号，通过高速旋转的反光镜将激光向两侧均匀发射出去，当激光遇到物体时会被反射回来，再利用仪器的接收装置记录返回的激光的数据。主要记录的数据有激光束水平角、垂直角、激光返回时间、激光反射回来的强度 及目标物体的色彩信息。三维激光扫描工作原理如图 所示。图 三维激光扫描工作原理 仪器参数本文主要使用的是 固定式地面三维激光扫描仪。具有高精度、高分辨率、高速、尺寸小、重量轻、高动态范围成像、逼真三维彩色扫描、价格适中等特点，同时还自带倾斜、高度、温度传感器，已被应用在测绘不同领域之中。本次使用的 扫描半径为 ，测距误差 ，最大扫描速率 点。技术流程通过本次使用的 固定式三维激光扫描仪结合实际老宅测量过程，总结了三维激光扫描测量技术在老宅测量中的主要工作内容。主要工作流程如图 所示。图 三维激光扫描工作流程 ）现场踏勘在扫描测量前应先进行现场实地踏勘，了解建筑物周围的环境及历史建筑物的形态、空间布局等。现场手绘历史建筑物内部结构草图，并收集建筑物所在的大比例尺的地形图、遥感影像图作为扫描仪布置扫描方案的设计参考。此外还需收集附近的控制点和水准点。）扫描方案设计点云数据采集一般有 种方式：基于地物特征点拼接的采集、基于标靶拼接的采集和基于测站点后视点的采集方式，不同的采集方式对应不同的外业采集方案。基于地物特征点拼接的采集不需要架设靶球和后视标靶，仪器架站灵活、简单，每站之间只需要 以上的重叠区域即可，但仪器测站数量较多，数据冗余量大，内业处理较慢，精度较低。基于标靶拼接的采集是利用靶球、靶纸等反射标靶将两站点云数据进行拼接，要求每站标靶不少于 个且相邻两站的公共标靶数不少于 个。基于标靶拼接的采集扫描测站结构稳定，灵活性较差，内业数据处理较快、精度较高，常用于精密测量中。基于测站点后视点的采集方式借鉴全站仪导线测量原理，在扫描过程中，需要对后视标靶进行定向，并在下一站布设标靶；这种采集方式拼接精度高，每一站不需要有重叠区域，并可以直接得到坐标系下的点云数据，但扫描架站条件要求较高，灵活性较差，需要满足前后两站必须通视等要求。）现场扫描和控制测量根据设计的扫描方案现场布置扫描，在草图上标记每一站的大致位置并在外业记录手簿上记录该测站采用的采集方式。控制点要结合现场环境选点，根据地面三维激光扫描作业技术规程（）中控制测量观测技术要求布点。使用动态 或静态 布设平面控制点，使用水准测量获取各控制点高程值。控制点个数不宜少于 个，其中，个用于扫描拼接后的点云进行坐标转换，个控制点用来检验转换精度。平面控制测量结束需要进行不少于控制点点数，不低于 个的重复测量检查，并采用全站仪对控制点进行边角检核。）点云拼接、去噪根据不同的采集方式使用对应的拼接方法，如基于地物特征点拼接、标靶拼接和测站后视拼接。拼接后的点云一般存在部分噪点，这些噪点会影响点云矢量勾绘、模型重建精度等。常采用仪器自带的处理软件对噪点进行过滤。）坐标转换基于地物特征点拼接和基于标靶拼接的采集方式凭借后点云需要借助控制点进行坐标转换。基于测站点后视点的采集方式可以在外业中直接获得对应测量坐标系下的坐标。）数字化成果外业扫描仪在测量时会同时采集全景照片，这些照片可以作为存档资料记录建筑物纹理特征。在坐标转换后的点云基础上绘制出平面图、立面图、剖面图、屋顶投影图和三维模型皆可作为数字化存档资料。测绘与空间地理信息 年 实际应用本次研究对象是一处苏式老宅，由外大门、围墙、首进大厅、二进会客厅、三进室正房、东厢房、西厢房、檐廊、东西廊道、庭院等组成。老宅占地面积约 ，建筑面积约 。为了保存老宅的建筑资料，为以后修缮和改造提供参考资料，需对其进行全方位三维激光扫描，得到建筑物平面图、屋顶投影图、立面图和剖面图等数字化存档材料。采用 节所述的技术流程，先现场踏勘、设计方案，再外业扫描测量，最终内业成图。现场踏勘和方案设计通过分析现场手绘的草图、照片及遥感影像，初步设计在老宅主体四周布设 个平高控制点，三维激光扫描测量和全站仪碎部点采集同步进行，扫描路线由外向里进行布设。通过现场踏勘，得知老宅内部房间较多且内部走道曲折狭窄，不利于长距离架站扫描，点云数据主要使用基于地物特征点拼接的采集方法，该方法仪器架站灵活、简单，每站之间只需要要 以上的重叠区域即可；部分使用基于标靶拼接的采集方法将屋顶部位与地面部分联系起来。外业测量）控制点测量在主体四边布设 个控制点，其中 个为控制点（、），个为检查点（）。根据地面三维激光扫描作业技术规程（）平面控制测量采用 技术测得，高程通过附近的水准点经四等水准测量得到。）全站仪测量对平高控制点进行全站仪边角检核测量，同时采集老宅外围墙体的房角点、墙面点等特征点，这些点将作为点云精度的验证点。）三维激光扫描测量本次现场扫描采用 三维激光扫描仪，布设方式采用由外向内的逐站推进，共架设 站，无靶球靶纸的相邻测站至少有 的点云重叠度。此外，为了扫描到屋顶的结构，在老宅邻近房屋阳台处架设扫描仪，向下进行扫描，通过在地面上布设 个以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征点将阳台上的测站与地面测站联系起来。点云拼接及去噪采用 自带的 点云处理软件进行点云拼接操作。提供了 种点云拼接方法，分别是基于俯视图注册、基于云际注册和基于目标注册。基于俯视图注册对应基于地物特征点拼接的采集方式，基于云际注册是对基于俯视图注册拼接后的点云进行优化。基于目标注册对应基于标靶拼接的采集方式。根据外业扫描情况，本次采用基于俯视图注册基于云际注册和基于目标注册的组成模式进行点云拼接，并利用软件自带的过滤工具进行点云噪点过滤。软件拼接后各站点云间的距离差较小，且拼接后房屋点云与实际建筑物形状基本一致，无明显的错层、偏移等问题。坐标转换利用控制点、对拼接后的点云进行坐标转换，并用 及全站仪采集的特征点作为点云精度检查点，验证点云坐标的精度和可靠性。其中、为平高检查点，为平面检查点。具体见表，较差均满足工程测量规范（）工矿区主要建（构）筑物平面点位中误差小于 ，高程中误差小于 的要求。表 点云数据检验点精度表 点号实测坐标坐标转换后坐标（）（）（）（）（）（）平面较差（）高程较差（）数字化成果归档首先，对转换后的点云数据利用 软件进行横剖、纵剖处理，再结合三维激光扫描仪在扫描时拍摄的全景照片全方位、无遗漏地绘制出老宅的平面图、立面图、屋顶投影图、东西剖面和南北剖面图。其次，将拼接后的点云经 格式转换后导入 中，同时参考三维激光扫描仪拍摄的全景照片构建老宅三维模型。最后将三维激光扫描仪拍的全景照片、拼接去噪后的点云数据，根据点云数据绘制平面图、立面图、剖面图和三维模型进行归档保存形成建筑物数字化成果，如图 所示。结束语三维激光扫描测量作为新型测绘技术的一种，具有高精度、大范围、免接触等特点，近年来被逐渐应用到建筑测绘中。本文结合三维激光扫描工作原理及所使用的扫描仪特性，总结出一套完整可行的三维激光扫描仪在历史建筑物数字存档工作的技术流程。在实际案例中，三维激光测量技术可以灵活、全面地测绘出建筑物每一处细节，并生成历史建筑物的全景照片、平面图、立面图、剖面图、点云数据、三维模型等数字化资料，为将来历史建筑物的保护、修缮、改造提供非常全面的参考资料。（下转第 页）第 期夏磊凯等：三维激光扫描在历史建筑物数字存档中的应用表 平面精度检测表（单位：）（：）序号表 高程精度检测表（单位：）（：）点号（）点号（）结束语选用无人机倾斜摄影测量的方法对新建居民小区进行竣工测量，并对测量成果进行了平面及高程精度验证。试验表明，无人机倾斜摄影测量精度符合竣工测量相关技术指标，为建设项目竣工验收提供了一种新的测绘手段。但是，无人机在竣工测量过程中会存在死角，并且无法替代传统的测量方式，可以结合全站仪进行竣工测量，提高作业效率。参考文献：朱轶群，吴煜心，金国建，等基于倾斜摄影的三维测图技术研究测绘通报，（）：储灿清无人机倾斜摄影测量在规划竣工测量中的辅助应用测绘与空间地理信息，（）：，杨铭新型测绘技术在道路竣工规划验收测量中的应用研究测绘通报，（）：，吴国荣，李甫群，彭军文，等无人机倾斜摄影测量在城市建筑物竣工测量中的应用城市勘测，（）：赵海强基于无人机倾斜摄影的建筑规划验收测量方法探讨地理信息世界，（）：丁鸽，彭健，焦明东，等无人机倾斜摄影测量技术在超高层建筑竣工测量中的应用测绘地理信息，（）：杨光，刘敏，王磊，等空地协同测绘在广州圆异型建筑验收中的应用测绘通报，（）：吴志栩无人机实景三维模型在规划监督测量中的应用初探测绘通报，（）：柳静 无人机倾斜摄影测量三维模型绘制大比例尺地形图精度研究西安：西安科技大学，王保国，张润科无人机倾斜摄影测量在规划方案比选中的应用测绘通报，（）：陈昕无人机倾斜摄影测量在建筑规划竣工测绘中的应用城市勘测，（）：，编辑：张 曦（上接第 页）图 建筑物数字化成果 参考文献：马炳坚中国古建筑木作营造技术北京：科学出版社，王超级传统民居木构架体系结构性能研究郑州：郑州大学，徐海波基于建筑特征的三维激光点云数据处理方法研究重庆：重庆交通大学，张立伟，刘鹏飞，李冠三维激光扫描技术在古建筑物测绘中的应用研究 北京测绘，（）：黄飒三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究焦作：河南理工大学，刘旭春，丁延辉三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用测绘科学，（）：廖紫骅，蔡继鸣三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用东华理工大学学报（自然科学版），（）：于海霞基于地面三维激光扫面测量技术的复杂建筑物建模研究北京：中国矿业大学，谢宏全，谷风云地面三维激光扫描技术与应用武汉：