三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用

三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用作者：纵路
来源：《西部资源》2023年第06期
［关键词］三维激光扫描技术；古建筑；测绘；萧县师范礼堂
古建筑泛指民国及以前的具有人文、艺术、社会价值的建筑物或建筑群[1]。

随着现代社会的发展，人们对人文艺术的追求不断提高，对古建筑所特有的科学文化价值也越来越重视[2]。

古建筑修复与保护成为了古建筑研究范畴中的重要一环，更多的古建筑被加入到修缮保护的行列。

许多古建筑在修缮之前，需要对古建筑进行测量并绘制古建筑的建筑图纸[3]。

然而，许多历史悠久的古建筑的建筑工艺已经失传，相关设计图纸也已消失，这给修缮工作带来极大的阻碍。

传统的古建筑测绘工作主要是依靠人为手动测量的方式，依靠量尺进行[4]，更先进、高级的方式可使用到全站仪进行。

虽然传统的测量方式可以完成古建筑的测量并完成图纸绘制，但是需要耗费巨大的人力以及较多的物力资源，并且效率低下，获得的信息有限，并不能完全满足现代修缮的要求[5]。

三维激光扫描技术并具有设备轻便，操作简单，工作高效等优点，在古建筑测量与修缮中起到了重要作用。

光焰不发，珠玉与瓦砾同观。

藻绘未扬，明光与布葛齐价。

萧县师范礼堂是纪念当地历代忠烈人物而建的忠烈祠堂，如竹简般记录着当地丰富的历史文化，对礼堂需进行必要的修缮工作，可以更好地保护古建筑，有利于其在文化的传承，历史的延续中发挥重要作用。

文章通过介绍运用三维激光扫描对萧县师范礼堂进行测绘，阐述了技术要点，探讨了操作规范，不仅可
以为今后古建筑修复提供测绘技术支撑和借鉴，同时可以为古建筑电子信息建立、系统化管理及查询等技术的发展奠定基础。

1. 三维激光测量原理
三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。

三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。

它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。

三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，通过拼接、纹理映射等技术手段，可实现所见即所得的效果。

2. 外业测量
2.1 控制网建设
控制网建设作为一项重要的前期工作，对于三维表面测量的成功与否起到了决定性的作用，具有极其严格的规范要求，需要根据工程需要，按照《城市测量规范》（CJJ/T 8-2011）、《工程测量规范》（GB 50026-2007）、《房屋建筑制图统一标准》（GB/T50001-2001）、《国家基本比例尺地形图图式第1 部分：1：500、1：1000、1：2000 地形图图式》（GB/T 20257.1-2007）、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2009）等规范进行建设局部坐标控制网和绝对坐标控制网[6]。

要獲取萧县师范礼堂完整的点云数据，需要在各个不同的位置架设测站进行测量，局部控制网的建设可为测站获取的点云数据提供统一的空间参考和坐标系统。

为使坐标转换后的坐标系统达到一致，每个测站应保证至少含有3个同名点以确保各个测站间的数据点在相同的坐标系统下进行拼接，通过对礼堂周边环境的综合分析认为合理地设置标靶有利于点云拼接。

为了充分发挥标靶在点云拼接中的优势，根据礼堂周围环境的具体情况，在礼堂四周设立固定标靶后，在地面上每个测站精细扫描这些标靶，并且使相邻的两测站间扫描部分重叠标靶，根据测站扫描的重叠标靶信息拼接每个测站的数据，将标靶整合在一个局部独立坐标系中，所设立的固定标靶成为各测站点云拼接的基础[1]。

要完成对礼堂保护性测绘工作，首先需要建立局部和大地坐标系两者之间的坐标转换关系，然后将礼堂的局部测量坐标转换到大地坐标系中，以获得礼堂最终的绝对位置和方位。

根据礼堂周边的实际环境及工作要求，利用RTK及全站仪测量礼堂周围固定标靶中心点坐标，通过坐标转换来实现对整体模型定位定向的要求。

2.2 三维激光扫描表面测量
要获取萧县师范礼堂完整的点云数据，需要架设激光扫描仪进行扫描，为全面获取礼堂各个位置的信息，按照要求在礼堂四周地面及屋顶不同高度的平台上进行架设，可以确保全方位获取礼堂的点云数据。

先在地面针对礼堂四个拐角两个平面架设6站进行扫描，这6站数据覆盖面大，精度高，构成礼堂地面的大致点云模型。

在地面的6个方向搭建稳固的扫描平台，以满足礼堂屋顶数据的采集工作。

对于树木遮挡部分及关键处进行局部加密扫描，而后利用标靶进行整体拼接，保证萧县师范礼堂相关数据的全面性与完整性。

本次工作中地面实际共计架设30站，一层需要40站，针对房顶内部结构的扫描需要20站，总共90站左右。

2.3 彩色图像采集
利用无人机倾斜摄影，高清数码相机对建筑本体、室内外环境、细节部节点进行高清彩色照相。

数码相机采集时原则上先拍萧县师范礼堂整体，后拍礼堂局部，拍摄要全面不得漏拍，每个拍摄角度都应与拍摄立面保证垂直，对于一些重要部位需要进行精细拍摄，同时采集的纹理图案命名时要规范，便于后期纹理映射时使用；无人机的倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细地构建地表全要素三维模型/实景三维模型，利用无人机多次飞行、交叉飞行的方法，获取萧县师范礼堂的完整影像资料，为后期制作真三维模型提供依据。

3. 数据处理
3.1 点云拼接
所谓点云拼接，实质上是实现两个三维空间直角坐标系之间的转换。

点云拼接是萧县师范礼堂三维重建的基础工作，点云的精度直接决定了三维重建的精度，而点云拼接是最基础的工作之一。

将不同测站所扫描的楼体数据及标靶数据通过Leica Cy⁃clone 软件进行拼接，所有标靶拼接误差均小于5 mm。

用三维激光扫描仪对礼堂进行扫描测量时，由于站点较多，每个站点采集的点云数据是相互独立的，故有必要进行点云数据的坐标转换。

理论上在同一坐标系下，空三解算后的倾斜摄影点云数据与坐标转换后的点云数据融合后可以做到无缝拼接，然而，两种点云数据在实际中并不能做到无缝拼接，主要原因是两种数据有着不同的测量精度，因此要对两种数据进行一些数据处理工作。

一般而言，我们把精度更高的点云数据作为目标进行两种点云数据融合。

相对于倾斜摄影的点云数据，三维激光扫描的点云数据精度更高，故目标点云为三维激光扫描的点云。

不同测站的点云数据必须有一定的重叠度，为了将倾斜摄影点云转换至目标点云上，需要进行相应的坐标转换，通过人工选择两种点云数据中不少于三个的公共点数据作为约束条件，且三个公共点不得共线，根据式（1）可获得转换参数。

3.2 构建格网和填补空洞
因构成礼堂点云模型的空间离散点不能直观的反映礼堂的实际表面，为使点云模型真实显示目标体（礼堂）的实际表面，需要通过构建三角格网来恢复礼堂表面的拓扑关系。

在数据采集过程中，因遮挡、某些材质吸收率过大或前期点云数据处理时操作不当错误删除部分点云数据等导致点云数据中存在少量无法获得数据的死角，这些死角的存在会导致获取的数据不完整。

为完整的呈现礼堂的三维模型，有必要在建模过程中对不完整的数据进行补充赋值，利用周边领域完整的三维数据插值补充缺损部位的点云数据，空洞填补时，小孔用平面填补，大孔用基于曲面的方法填补。

3.3 纹理映射（真三维模型）
纹理是指附着在建筑实体表面的各种雕饰、图案、花纹和顏色信息。

纹理映射，又称纹理贴图，是把一幅二维图像贴到三维物体的表面的过程，精细逼真的反映三维物体表面的各种细节，提高三维模型的真实性。

在基于图像的三维建模系统中，纹理映射包含两个步骤：首先，利用图像序列和网格模型生成一张纹理图像，这张纹理图像又被称为纹理地图集
（Tex⁃tureAtlas）；然后，建立纹理地图集中的纹理像素（Texel）和网格模型顶点之间的映射关系。

为了使三维模型具有真实纹理，有必要进行纹理映射，即通过建立影像像素与三维模型上各顶点之间的对应关系，将采集到的影像纹理赋给三维模型[1]。

由于采集到的纹理数据中不仅包含礼堂的纹理信息，还包含背景物的纹理数据；采集时由于光线的参差，不同位置的机器采集到同一部位到图像信息也不一致；每次采集到纹理数据只是礼堂的一部分，故有必要对纹理数据进行筛选及裁剪等工作后，再进行纹理映射。

3.4 DLG产品制作
将古建筑的测绘数据归类汇总，利用Leica Cy⁃clone 软件将数据导入AutoCAD 中，将测绘所得的空间数据绘制形成可直观、精细表达古建筑尺寸与结构的立面图、平面图和剖面图等线画图件（DLG），让文物测绘成果以精准图纸的形式展现出来，为后期修缮提供数据[1]。

与此同时，将礼堂的历史、功能、地理位置、占地面积、尺寸大小等属性数据统一放置于礼堂三维模型之下，并建立树形目录进行存储管理，为日后礼堂的安全监测、现状评估、三维可视化、复原修复、价值评估等工作提供依据。

4. 案例分析
萧县师范礼堂始建于1947年，初为原江苏省萧县为纪念当地历代忠烈人物而建的忠烈祠堂，建筑面积157.12 m2，占地面积221.19 m2。

1948年，原设在萧县张庄寨的萧县师范学校改在萧县县城北关外凤山脚下（即当前校址）重建新校址，并将此礼堂列入其中，于是，该祠堂就逐渐成了该校举行重大活动的萧县师范礼堂，并留存至今。

礼堂的保护性测量工作，将使承载了历史文化底蕴的礼堂无惧风雨，继续记载见证新的历史。

礼堂整体为大屋顶结构，高大雄伟，内部空间敞亮宽敞。

虽历经百余年，仍旧保持情况较好，门窗均为弧形结构，变化较少。

石料经过严格的筛选，严丝合缝，外观上有点西方而又不失民国的建筑风格（图1）。

因
年代久远，自然腐蚀外加人为活动因素导致建筑受损严重，需要修缮。

使用手持三维激光扫描仪对礼堂进行扫描，绘制出1张总平面图（图2）与4张立面图（图3）。

萧县师范礼堂平面图清晰反映礼堂呈东西长、南北进深短的民国建筑风格，东西连顶外沿长17.946 m，堂体长15.846 m，南北连顶外沿宽12.176 m，堂体宽9.986 m（图2）。

礼堂南立面为一正门，东西两侧各两厢门设计，地基全长16.076 m，堂体高5.263 m，屋脊长9.787 m（图3a）；北立面为东西各一门设计，扫描显示地基长16.083 m，堂体高4.989 m（图3b），与南立面存在极小误差，在测量精度允许范围内；东立面地基长10.254 m，堂体高4.903 m（图3c），与北立面存在极小误差，在测量精度允许范围内；西立面地基长10.263 m，堂体高2.283 m（图3d），与南立面存在极小误差，在测量精度允许范围内。

通过三维激光扫描技术，高精度、高效率、多方位、多元化测绘了萧县师范礼堂的结构及尺寸，结合现场照片，可以科学合理制定修缮方案，为保护古建筑提供了技术支撑。

5. 结论
（1）古建筑的修缮是古建筑保护中的重要手段，保护古建筑，主要是保护它的文物价值，即保护它的历史、科学和艺术价值。

（2）运用三维激光扫描技术对萧县师范礼堂进行测绘，精确测量礼堂尺寸，同时结合礼堂照片，可以计算机1∶1绘制礼堂结构图。

（3）三维激光扫描技术可减轻测绘工作对古建筑的扰动，减少人力物力的损耗，数字模型的建立可为修缮方案提供依据。