基于三维激光扫描的古建筑修缮测绘方法
摘要：古建筑作为一个城市的重要文脉之一，其中所反映的正是这座城市的历史，充分体现了民族气息，古建筑修缮工作对挖掘、掌握历史文化具有重要意义。但由于受到自然、人为等因素的影响，导致古建筑整体质量下降，需要提升修缮技术。而以往古建筑测绘方法主要以人力输出为主，同时还需要大量的物力支持，整体测绘工序非常复杂，工作效率较低，增加了古建筑损坏几率。对此，本文提出了三维激光扫描技术，通过此种非接触方式全面精确地掌握古建筑具体数据后制定相应的修缮方案，极大地 提升了测绘工作效率与质量。
关键词：三维激光扫描;古建筑;修缮测绘方法;实施应用
古建筑测绘主要工作就是测量、采集、处理古建筑相关几何、物理、人文等信息，测绘古建筑的目的在于为古建筑建立最为原始的档案，所以，该项工作需要较高的测绘技术，确保数据精准性，才可以发挥出测绘成果的作用，促使古建筑得到更好的修缮，帮助提供重建信息，同时，也在古建筑宣传、陈展、文创等方面发挥着重要的作用。对此，本文分析了三维激光扫描技术，并将其应用到古建筑修缮测绘中，有效推动了古建筑三维可视化、建立数字化档案工作的顺利开展。
一、三维激光扫描技术概述
以往在测绘古建筑基本信息过程中，需要耗费大量的人力，全站仪、普通钢尺是主要的人工测量工具，同时，所测绘的主要是古建筑物的平面、立面以及剖面图，此种作业方式效率非常低。而不同的古建筑，其形状各异，需要测绘人员充分并且全面地接触建筑物，反而增加了古建筑损坏的可能性，所以，此种测绘方式已经无法满足当下古建筑测绘实际需求。而三维激光扫描技术的兴起，引领了一场技术革命，该技术最大的特点就是不需要测绘人员与实际建筑物接触，就可以获取到较为全面的建筑几何、平面数据，实现了全自动、高精度地获取物体表面的密集点云数据，在此基础上，经过后期相关软件的操作，除了可以得到建筑物的二维平面数据信息之外，还能够有效还原出建筑物三维模型图，这对修缮古建筑起到重要作用。
（一）三维激光扫描技术原理
三维激光扫描技术是最早出现在上世纪90年代中期，随后逐步被应用发展起来的一项高新技术，三维激光扫描技术原理与全站仪测距测角存在相似之处，但不同的是，全站仪测距测角需要逐个点进行测量物体坐标作业，相比之下，三维激光扫描技术属于非接触式测量目标作业，由于该技术可以发射连续激光束，在激光束的作用下，可以准确快速地获取到建筑物表层密集点云数据，在此基础上，工作人员可以综合参考相机设备收集到的纹理、色彩等信息，并利用相关软件进行处理，便可以得到建筑物的三维模型图，所以，人们也称该技术为“实景复制技术”。其中三维激光扫描仪采集到的点云数据，主要是建立在扫描坐标系基础上的，坐标系的原点是发射激光束起始点，而X轴，表示为扫描仪水平转动轴的零方向，Z轴则是扫描仪水平时的天顶方向，其测量原理，如图1所示。
在图1中，θ表示为扫描仪测量到的竖直角;α则为扫描仪测量到的水平角;而S代表的是坐标原点与监测点之间的距离，进而可以使用X=S cosθcosα;Y=Scosθsinα;Z=Ssinθ来表示监测点在扫描坐标系中的坐标。
（二）三维激光扫描技术实际作业流程
在测绘古建筑过程中，引入三维激光扫描技术，具体作业流程主要有两方面，其一是外业数据采集，其二为内业数据处理，具体流程，如图2所示。
在外业数据采集部分，测绘工作人员需要控制测量，采集点云数据。而内业则主要是对采集到的数据进行处理，通过点云拼接、点云去噪、点云统一等过程，获取到可用数据，在此基础上，对建筑物进行三维建模，这其中包含了点阶段、多边形阶段以及曲面阶段。最后就是纹理映射，获得建筑物最后的真实色彩图像。
二、具体工程实例分析
（一）项目实况
本文主要以巍峨耸立在肇庆西江河畔的崇禧塔为例，该塔始建于明万历十年（1582），塔高57.5米，基座高1.84米，周长46.5米，外观9层，内分17层，呈八角形，布局严谨，比例匀称，每层向外伸出的塔檐用琉璃瓦铺盖，檐角悬挂钢质风铃，共72个。
在此测绘工作方案中，主要的目的就是运用三维激光扫描技术采集崇禧塔的数据，而后利用專业软件绘制塔体相关图件，完成该塔的三维数字建档，给后续崇禧塔修缮维护工作的开展提供有价值的技术参考与保障。
（二）外业实施
1.控制测量
结合此次扫描精度要求以及崇禧塔周边环境实际情况，首先，测绘工作人员需要在塔身附近8个方向的20米位置，设置8个测站，由于塔身高57.5米，所以，当扫描仪与塔身距离较近时很难准确扫描到塔身较高部位，还需要再设置4个测站，距离控制在塔身40米。所有的测站都需要使用钢钉进行标志，做到每两个可以通视，按照此种布设方式，可以全面扫描到崇禧塔表面。
完成所有控制点布设后，测绘人员可以借助JSCORS网络RTK，对已经掌握的控制点进行联合测试，并对测试结果进行校对，确保准确无误后再进行观测，其中每个控制点都需要至少观测2次，将得到的观测值相加后，取其平均值，而后使用CGCS2000坐标系表示出该终值，为后续数值转换做好基础准备。
2.采集相应的点云数据
在采集点云数据过程中，测绘人员可以利用Leica ScanStation C10扫描仪，同样需要先设定目标靶，在实际布设过程中要合理控制标靶与扫描仪的距离，切记不可过远，防止出现共线共面的情况。对此，可以在邻近2个测站间设置4个标靶球。而后将扫描仪架设整平后启动，实施扫描。与塔身10米位置时将该仪器设置为中等分辨率、全景视场;距离40米时，设置为高等分辨率，自定义视场。在完成所有扫描工作后，工作人员需要使用CCD相机拍摄扫描对象，为后续纹理映射提供基础信息。
（三）内业数据处理
经过外业扫描获取到的数据，在内业数据处理中，主要包含了三个阶段，即原始数据传输与导入、单天工程、单体工程，其中应用的软件为Cyclone，具体处理流程如图4所示。
在处理点云数据前，技术人员需要将获取到的点云数据导入到Cyclone软件中，而后再开展相应的处理工作。
1.拼接
采用序列拼接方式，整合内围8站数据，可以确保崇禧塔表面点云配准精度，自第一站开始，利用Cyclone软件Reg-inter模块，处理前两站点云数据，依照此种方式，逐步完成8站点云拼接，需要保证起始与结束位置的点云差控制在6mm以内，进而为后续建模做好基础准备。而外侧的4站点云主要利用的是ICP配准算法，并将这4个点云逐一拼接到8站点云上，最终完成所有的点云拼接。
2.去噪
点云去噪的过程，工作人员可以借助Cyclone软件，进行人工手动操作，将其中没有价值的数据去除，完成去噪处理。主要方法就是利用Cyclone软件打开已经完成拼接后的12站点云总图，并将点云图调整到适宜的位置，使用对应的工具去除噪声点。
3.统一
由于经过去噪后的点云数据，容易在临近点云重叠部分出现数据冗余的情况，进而出现数据量增大、采样间隔不同，为解决此问题，技术人员需要进行重采样，借助Cyclone软件压缩点云的数据量，实施统一化处理点云数据，保证多站点云进行整合。
（四）古建筑三维建模
在建立崇禧塔三维实体模型过程中，为了提高准确性，可以更加真实地反映出崇禧塔的实际情况，本文选择应用Ueomagic Studio软件实施三维建模，涉及到的具体过程包含了点阶段、多边形阶段、曲面阶段。
1.点阶段
这一过程主要就是实施精细化处理，使得海量点云数据能够进行更加精准的呈现，点阶段具体实施过程为：滤除噪声点、摆正点云坐标，而后导入点云数据，并进行着色，对点云进行重采样操作，最后进行点云封装，这一过程主要是为了方便后期建模。
2.多边形阶段
针对多边形处理，主要过程为：处理多边形表面粗糙，对其中存在的孔洞、缺口进行相应的修复，并实施简化处理等过程，这一过程的操作会直接影响到模型曲面生成质量，所以，对技术人员提出较高要求，需要加强认真、仔细程度。
3.曲面阶段
在曲面阶段，运用曲面片拟合，处理多边形模型，按照过渡、混合、连接三个步骤，最终得到曲面模型。此过程由于消减了模型空间三角面片间的棱角，所以，会让模型表面更加接近真实的建筑物。
（五）纹理映射
在纹理映射过程中，主要使用CCD相机到现场进行数据采集，在避免逆光的情况下，以水平拍摄为主获取到对应的正射影像。同时，技术人员还需要进一步处理拍摄到的照片，选择合适的纹理，有效处理透视关系以及纹理细节，要将照片中的遮挡杂色去掉，而后，借助3Dmax软件中逐面映射，最终得到崇禧塔真彩色三维模型。
（六）精度验证
1.扫描控制点精度验证
表1 是使用全站仪和JSCORS网络RTK测量部分测量结果，通过对此，不难发现，其中5个控制点的点位要稳定些，出现的误差也都在规范内，这为三维激光扫描作业有效开展提供了良好的数据支持。
2.扫描特征点精度验证
使用免棱镜全站仪测量崇禧塔10个特征点，获取到对应的数据信息验证此次三维激光扫描成果的质量。并将获取到的结果与在三维模型中量取的坐标值进行比较。
从表2数据，不难发现，其中平面位置最大误差是0.189米，而高程最大误差为0.186米，符合相关规范。
（七）绘制专题图
本次绘制专题图所使用的软件为AutoCAD，在该软件作用下，从点云中找出塔身的二维平面图，为文物保护相关工作的开展提供了重要支持。分析古建筑修缮工作，可知，需要绘制出对应建筑物的侧立面、正立面、俯視平面图、剖面图，此外，还需要绘制出横断面图、纵断面图等。其中横断面图、纵断面图以及剖面图，主要就是将对应建筑物内部结构等情况充分展示出来，而此次研究的古塔，由于实地环境条件受限，所以并未扫描到其内部结构，所以，技术人员使用了AutoCAD软件绘制崇禧塔的北侧立面图、俯视平面图。
综上所述，通过本文对三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘过程中的应用分析，足以验证此种非接触测量方式的优势，不仅可以较为精确地获取到古建筑空间几何信息。同时，也可以利用大量的点云数据快速模拟出建筑的三维模型、二维专题图，这对修缮测绘工作的顺利开展起到了重要作用。帮助工作人员提高了工作效率，同时，提高了测量精准度，也避免了对古建筑文物的二次损害。三维激光扫描技术非常适用于一些复杂、不规则的古建筑中。本文通过利用3Dmax软件、Ueomagic Studi软件等，虽然得到了建筑三维模型，但是最终的贴图效果并没有达到预期，所以，还有待进一步研究映射算法。但总的来说，三维激光扫描技术的兴起与应用，将会极大地推动古建筑测绘工作。同时，在科技水平不断提升下，将会衍生出更多的处理软件，为古建筑修缮提供有力的支撑。
（作者简介：谭锋，单位：肇庆市博物馆，文物博物专业馆员，本科，研究方向：文物保护与利用）
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