1、引言

　　古建筑延續(xù)了歷史文脈,是人類文明的載體。隨著社會的發(fā)展,古建筑的價(jià)值逐漸受到人們的高度重視。對于古建筑,必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)和利用。保護(hù)和利用過程需要對古建筑進(jìn)行精確的測繪工作,傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測量方法測出的結(jié)構(gòu)圖可以表達(dá)建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu),但由于技術(shù)手段的局限,難以對古建筑進(jìn)行快速測繪和對建筑立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技在不斷的創(chuàng)新，近期發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)--三維激光掃描技術(shù)，這種技術(shù)具有的優(yōu)勢所在，通過激光測距原理（包括脈沖激光和相位激光），利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型,既省時(shí)又省力,這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的。作為新的高科技產(chǎn)品，三維激光掃描儀已經(jīng)成功的在文物保護(hù)、城市建筑測量、地形測繪等領(lǐng)域里應(yīng)用。

　　2、三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)古建筑測繪技術(shù)的對比分析

　　傳統(tǒng)的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸,而獲取的最終資料是“圖樣”(即圖紙)和一些文字記錄。后來又出現(xiàn)利用了近景攝影地方法進(jìn)行古建筑測繪。近景攝影測量的兩部分工作中(攝影及影像處理和制圖)采用的是光學(xué)方法和模擬制圖工藝,最終成果是以光學(xué)像片表示的影像資料和以紙質(zhì)形式表示的圖件資料。三維激光掃描技術(shù),它具有快速、精確、多方位的特點(diǎn),它能夠快速獲取點(diǎn)密度和精度都非常高的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù),可廣泛應(yīng)用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。

　　與傳統(tǒng)古建筑測繪技術(shù)相比,三維激光掃描技術(shù)存在明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的古建測繪方法獲得的是“圖樣”,近景攝影測量的最終成果是測繪建筑物平面圖、截面圖、立面圖等。這兩種測繪技術(shù)獲得的均是反映建筑物信息的二維平面圖紙,而三維激光掃描技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)則是建筑物的三維空間模型,模型中包含了建筑所有結(jié)構(gòu)、細(xì)部乃至材質(zhì)信息。三維激光掃描技術(shù)能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)獲得傳統(tǒng)測繪方式數(shù)天或者更長時(shí)間都不能獲得的古建信息,相比傳統(tǒng)測繪方法,它節(jié)省了時(shí)間、人力,大大提高了工作效率。同時(shí),三維激光掃描技術(shù)有很強(qiáng)的適用性,在很多復(fù)雜的環(huán)境中都可以進(jìn)行測量。此外,三維激光掃描設(shè)備通過發(fā)射激光束來實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的精確獲取,可不依賴輔助光源,實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。

　　一、三維激光掃描技術(shù)的工作原理

　　三維激光掃描技術(shù)，是通過內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)生激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過被測目標(biāo)，信號接收器接收來自目標(biāo)體發(fā)射回來的激光脈沖，通過每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測物表面返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊和測量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測點(diǎn)的相對三維坐標(biāo)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。

　　二、掃描數(shù)據(jù)處理

　　地面三維激光掃描系統(tǒng)掃描得到的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)(Points Cloud) ，記錄了有限體表面上離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)和某些物理參量。點(diǎn)的表示形式為( x ,y ,z ,intensity ,R ,G ,B) ，不僅包含了點(diǎn)的空間位置關(guān)系，還包括點(diǎn)的強(qiáng)度信息和顏色灰度信息。離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并不能夠真實(shí)準(zhǔn)確地表達(dá)構(gòu)筑物的整體模型，為了滿足三維建模的需求，首先要對所獲得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)濾波、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

　　三、三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

　　三維激光掃描系統(tǒng)是目前國際上先進(jìn)的獲取地面空間多目標(biāo)三維數(shù)據(jù)的長距離影像的測量技術(shù)。它將傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的點(diǎn)測量擴(kuò)展到面測量，它可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型，復(fù)雜實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及點(diǎn)、線、面、、體等各種幾何數(shù)據(jù)，而且它所采集到的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行多種后處理工作。三維激光掃描技術(shù)利用激光特有的掃描測量，該技術(shù)具有非接觸測量、數(shù)據(jù)采樣率高、主動(dòng)發(fā)射掃描光源、具有高分辨率、高精度數(shù)字化采集結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

　　四、三維激光技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護(hù)實(shí)例

　　1、古建筑特征

　　古建筑是歷史政治經(jīng)濟(jì)文化的凝聚物， 不同時(shí)代的建筑見證了不同的政治、 文化和審美，不同的民族其建筑也有其特有的風(fēng)格。中國古建筑在外型上主要由屋頂、屋身和臺基三部分組成；建筑的結(jié)構(gòu)有石塊和木質(zhì)，其中 80%以上是木質(zhì)結(jié)構(gòu)。細(xì)部臺基、立柱、斗拱和屋頂結(jié)構(gòu)繁雜；門窗天花板形式多種多樣，圖案栩栩如生。其建筑物內(nèi)涵極為豐富，因而對保護(hù)建筑物這些特征所要求的技術(shù)非常高。

　　采用三維激光影像掃描技術(shù)，能在不損傷建筑物的條件下，快速采集古建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)。通過使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點(diǎn)云賦予相應(yīng)的彩色信息，再經(jīng)過加工便制作成正射影像，向用戶展示一個(gè)完全的實(shí)景彩色圖像。相對于以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設(shè)計(jì)和保護(hù)人員可以精確對門、窗、柱、梁等構(gòu)件進(jìn)行測量，借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數(shù)據(jù)圖。

　　2、三維激光掃描在古建筑保護(hù)中應(yīng)用

　　用三維激光測量古建筑，其步驟如下：

　　第一步：古建筑表面數(shù)據(jù)采集。主要內(nèi)容有：確定測繪方案，三維激光實(shí)地掃描。

　　本實(shí)驗(yàn)以Trimble X130激光掃描系統(tǒng)測量中山紀(jì)念堂為例，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)，測量時(shí)儀器 Z軸垂直。

　　第二步：內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)建模、實(shí)物量測和數(shù)據(jù)存檔。

　　表 1   標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)值

　　第一測站/(mm)                   第二測站/(mm)

　　標(biāo)靶點(diǎn)   X          Y         Z           X         Y          Z

　　B1      3071.92    3341.95    1543.87      -21461.26   39844.93    1516.14

　　B2      2970.82   -12629.37   1523.50      -7676.83    31769.84    1533.19

　　B3      981.71    -16874.30   1485.69      -4998.82    27924.10    1504.60

　　根據(jù)表 1 計(jì)算得其六參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度約為±1.2mm。

　　內(nèi)業(yè)處理軟件為：與掃描儀相配套的數(shù)據(jù)處理軟件Trimble Realworks 。在配準(zhǔn)模式下，不同測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合在一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中。在測量模式下，在三維點(diǎn)云圖上量取實(shí)物尺寸和特征數(shù)據(jù)；也可以輸出到CAD中，制作古建筑的平面地圖；還可以直接存檔點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖）。在建模模式下，可以根據(jù)已有幾何形體對點(diǎn)云建立模型。

　　三維激光測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果仍以點(diǎn)云的形式存檔于數(shù)據(jù)庫或者計(jì)算機(jī)中，結(jié)果數(shù)據(jù)存儲文件格式為：*.asc，存儲的內(nèi)容有坐標(biāo)值、RGB大小及坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差。

　　存儲后，數(shù)據(jù)可用于檔案記錄、三維可視化及逆向重建等方面，通過建模技術(shù)還原古建筑物原貌，并繪制精確的修繕施工圖紙，做到客觀、準(zhǔn)確地保護(hù)古建筑物，充分發(fā)揮三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用價(jià)值。

　　因受該建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分觀測條件不佳等客觀條件影響以及時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的限制，此次中山紀(jì)念堂的三維觀測數(shù)據(jù)有欠完整，但成果資料完全能體現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)的先進(jìn)性和優(yōu)越性，我們期待通過后期工作的跟進(jìn)，能進(jìn)一步完善本科研成果，更全面地建立中山紀(jì)念堂的建筑設(shè)計(jì)圖，并建立完整的三維模型，賦予建筑色彩及強(qiáng)度等因素，全方位地提供建筑物的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

　　總結(jié)：

　　三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于古建測繪工作中,為古建筑研究與保護(hù)提供了新的手段。它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有傳統(tǒng)測量技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。尤其是它“非接觸式”的測量的手段,不會對傳統(tǒng)古建筑造成損傷,正體現(xiàn)了古建筑保護(hù)的核心思想,即讓建筑物在“不改變原狀”的條件下長期健康存在。但要運(yùn)用三維激光掃描技術(shù),建立一套科學(xué)合理的、實(shí)踐性強(qiáng)的古建測繪方法,還需要在今后大量的古建測繪實(shí)踐中不斷探索。

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