基于三维激光扫描的历史文物建筑测绘研究
DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-3710
摘 要：随着三维激光扫描技术的不断发展，其在历史建筑、历史文化街区等领域有着越来越广泛的应用。该文从三维激光扫描下进行的古建筑测绘入手，综合讨论三维激光扫描这项新式测绘技术的特点以及将其用于历史文化街区保护中的合理方式，论文探索出了一条基于三维激光扫描的由点云数据采集、数据预处理到古建筑平面图、立面图、剖面图和三维模型制作的作业流程。结合具体实例表明，基于三维激光扫描进行的历史文化街区保护测量，具有很大的发展潜力及研究价值。
关键词：三维激光扫描 历史文化街区 古建筑测绘 点云数据
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2022）04（b）-0000-00
Research on Surveying and Mapping of Historical and Cultural Relics Buildings Based on
Three-dimensional Laser Scanning
HU Shengsong
（Ma"anshan Institute of Surveying and Mapping Technology Co.， Ltd.， Ma"anshan， Anhui Province， 243000 China）
Abstract： With the continuous development of 3D laser scanning technology， it is more and more widely used in the fields of historical buildings， historical and cultural blocks and so on. Starting with the mapping of ancient buildings under three-dimensional laser scanning， this paper comprehensively discusses the characteristics of three-dimensional laser scanning， a new mapping technology， and the reasonable way to use it in the protection of historical and cultural blocks. This paper explores a method based on three-dimensional laser scanning， from point cloud data acquisition and data preprocessing to the plan and elevation of ancient buildings Operation flow of section drawing and 3D model making. Combined with specific examples， it shows that the protection measurement of historical and cultural blocks based on three-dimensional laser scanning has great development potential and research value.
Key Words： 3D laser scanning; Historical and cultural blocks; Ancient architecture mapping; Point cloud data
在历史文物保护与重构方面，测绘技术的应用形式主要有传统测量手段、近景摄影测量技术和三维激光扫描技术3种。三维激光扫描吸收了前两者的优点，并克服了固有缺陷，能够快速、精确地获取点云数据，能在复杂的环境中以短时间进行扫描并形成三维影像模型，安全稳定、可操作性强;且该技术为非接触式测量，在提取文物三维数据信息的過程中避免了古建筑的再次破坏;此外，基于点云的处理软件为各种平面和三维成果的制作提供了丰富功能，为数据的后处理提供了强有力支持。
三维激光扫描技术能够适应当代技术需求，为历史文化建筑的数字测绘与重建提供全新的思路与方法。当下一些历史文化街区，正在时间的推移及城市现代化建设的进程中遭受着不同程度的破坏。因此，如何科学、有效地继承并保护这些珍贵的文化遗产，成为当地历史文化街区保护与修复工作中亟需面对的问题，而该文所研究的相关技术方法将为这一问题的解决提供较为完整的理论和技术支持体系。
1三维激光扫描技术流程
现场测量、绘图和后期的正式图纸绘制均应以组为单位，在采取三维激光扫描技术的前提下，一般每组2～3人为宜。技术流程如下。
1.1 准备工作
在此阶段，首先应进行现场踏勘，查看已有控制点的位置、保存情况和使用的可能性以及控制点联测的大概方案，进而通过待扫描对象的特点确定扫描站点的位置与扫描模型的拼接方式，以草图、照片等形式保存成果。再通过编制具体的扫描实施方案确定大地测量联测的方案、扫描站点的位置和扫描时的定向及定位方式、每个扫描站上扫描的目标和每个目标的扫描分辨率，进一步明确实施方案中还要包括扫描的工作流程、供给方案、人员配备及扫描施工组织。
1.2 数据采集
在正式开展古建筑测绘前应布控制网，将全部测量数据纳入同一坐标系统当中，为今后的古建信息管理工作奠定基础。测站位置选好后，架设仪器通过操作与之相连的控制电脑设备开始进行扫描;考虑到后续制作正射影像的需要，应在测量过程中注意镜头视角以获取完整的数字影像像素内容。
1.3 点云数据预处理
为保证后续过程的数据统一性，首先应通过点云数据的拼接将点云的坐标系统由扫描仪自身坐标系转换为某一统一坐标系。其后，为提高数据可用性，在保留扫描对象特征的前提下减少点的数量，对点云数据进行精简，方便数据的输入、输出、管理。
1.4 点云模型中三维数据量测
建筑测绘中，经常需要量测某些特征点在参考坐标系中的坐标，通过比较特征点的坐标值得到点间关系;在古建筑变形测量中，通过比较同一点在两次测量时间段内的坐标变化值得到建筑的变形。在点云处理软件的3D 视图中可以直接测量点与点间的空间位置数据和某一个面的空间状态，可借助专业软件的使用，量测出点的三维坐标及多点间距离、角度等空间量。
1.5 构建平立剖面图及三维模型
通过借助专业绘图软件如AutoCAD配合诸如PointCloud等三维激光扫描数据后处理软件，构建合适的坐标系，可将立面内容适配后转至平面。而基于平面内容进行推演，通过直线、曲线、面域，以及对象上的面、边等构造实体或曲面，以绘图软件内置的布尔运算（并集、差集、交集）为基础也能够拟合、创建复合三维对象。借助后期的纹理贴图软件的处理，可生产出真实感更强的模型。
2实例分析
将该文的研究思想应用于安徽某古建筑（由门房、围墙、展馆、厢房、工作人员用房等组成，总面积约925 m），基于三维激光扫描技术，完成了外业点云数据测绘工作;并通过内业点云数据配准结合专业软件的平面、剖面、立面成图分析，落脚于三维模型构建与立体分析;最终结合数据综合分析结果，对具体应用前景进行了详细评估，并形成了测绘成果如图1所示。针对工作最终成果，该文从数据、精度、应用前景三方面进行分析，总结了当前工作中技术与方法上的不足之处，并一定程度上针对性地提出了改进思路。
2.1数据采集分析
从数据的获取情况看，采集的点云密度足够客观反映对象的特征，也基本能够满足后续使用的需要，但总体上看，利用扫描仪进行外业数据采集的时候仍然存在一些不足。
首先，扫描存在死角。扫描死角即某些部件的点云数据无法采集。造成扫描死角的原因主要有两个方面：一是扫描仪本身存在一个扫描角度，即只能扫描到竖直方向上某角度范围内的对象。二是扫描对象被遮挡，这种现象在扫描古建筑的时候经常会遇到，比如外围墙被杂草遮挡、内屋顶被隔板遮挡等。这种情况下只能通过其他相同的部件进行复制来恢复古建筑原貌，但是其精度和真实性会大大降低。
其次，是不同站之间的数据拼接存在一定的误差。扫描仪本身的扫描精度能够达到毫米级，足够反映古建筑各种细节特征。但是各站点数据需要通过相对定向或绝对定向进行拼接，这需要通过靶标或控制测量完成。案例中各站点数据都通过绝对定向完成，控制点利用网络RTK与全站仪配合进行测量。各站数据的绝对位置中误差为0.05 m，相对位置中误差次于0.05 m，这导致某些需要不同站点云拼接得到的尺寸较小的建筑构件误差偏大甚至失真。为改善这种状况，需要通过现场测量、增加测站间同名点等手段加以辅助;必要时也可对原始点云数据进行详细分类分层，以方便目标建筑的量测和分析及用于后期的数据管理及应用。
2.2 研究精度分析
具体误差统计如表1所示，综合考虑测量中误差产生的各种原因，三维激光点云及其成果的数学精度主要受三方面的影响，首先是扫描仪自身结构决定的相对精度，其次是控制测量精度，最后是数据加工引起的二次误差。一般情况下扫描仪自身的相对精度可以达到毫米级，对点云及成果的影响可以忽略不计。控制测量精度对点云及成果产生决定影响，数据加工引起的人为误差导致成果精度要低于原始点云的数学精度。
该例中控制测量采用网絡RTK与全站仪测量技术，理论平面中误差为±0.05 m。而修正后的平面中误差检验结果为±0.064，略低于±0.05 m。考虑到实际隐蔽点等情况，点云数据中误差宜为控制点精度的√2倍，成果数据中误差宜为控制点精度的2倍。
3 总结与展望
通过该文研究，探索出了一条基于三维激光扫描的由点云数据采集、数据预处理到古建筑平面图、立面图、剖面图和三维模型制作的作业流程。其与传统人工测绘手段比较，克服了二次破坏等固有缺陷，也具有数据可塑性高、成果更加丰富等优点，但是其工作周期长，随建筑复杂度增加工作测量效率降低明显等制约因素也有待后续研究进一步解决。从总体上看，基于三维激光扫描进行的历史文化街区保护测量，具有很大的发展潜力及研究价值。
未来，基于三维激光扫描与历史文化街区保护，可从以下几个方面继续开展工作：（1）开展三维激光扫描，采集点云数据和影像数据，基于点云构建虚拟三维模型并存档。点云和影像数据既可以看作原始数据，也可以看作成果数据。（2）基于原始点云和影像数据开展数据深加工。以此制作平、立、剖面图，可推动与传统古建筑测绘成果接轨;利用三维点云数据对部件进行快速三维建模，结合机械自动化技术可以快速复制各种部件，可实现古建筑快速修复;基于点云数据的变形检测，可根据变形趋势提前采取相应措施进行保护性维修和加固。（3）将测量获得的各种数据成果加载到目前较为成熟的公众平台，加上部分软件功能的开发，将更加有助于开展数字（智慧）历史文化街区、数字（智慧）历史文化名城建设。
参考文献
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作者简介：胡生送（1970—），男，本科，高级工程师，主要从事测绘地理信息项目管理及研究工作。
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