三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用分析

叶晓婷

(宁波市测绘设计研究院,浙江宁波 315042)

三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用分析

叶晓婷∗

(宁波市测绘设计研究院,浙江宁波 315042)

通过对三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究,简要阐述了其技术流程,并结合案例分析了在古建筑保护应用中的精度、效率及存在的问题。试验结果表明:该技术能满足古建筑测绘成果制作的要求,总结出了该技术与传统在不同古建筑测绘中各自的优势,对古建筑测绘具有一定的借鉴意义。

三维激光扫描;点云精度;古建筑测绘

1 引 言

古建筑是历史文化的延续,展现着某一地区发展过程中的一些断面,为了给古建筑保护提供准确而又翔实的资料,需要对其展开精细化测绘,获取古建筑的形状、大小和空间位置,并以此为基础绘制平面图、立面图和剖面图等[1,2]。传统古建筑测绘一般采用全站仪、卷尺等工具进行人工测量,这种方式不仅费时费力、精度低,而且因属于接触式测绘,可能对文物造成二次破坏。20世纪80年代后逐步兴起的三维激光扫描技术,因其扫描速度快、安全、无接触,且获取的点云数据精度高、密度大等特点,给古建筑测绘工作带来新的途径[3～8]。随着研究的深入,三维激光技术用于古建测绘的可行性已被多次论证,但其测绘精度、不足及与传统方法相比的测绘效率等内容,则研究较少。为此,本文以宁波慈城清道观古建测绘为例,通过传统方法及三维激光扫描两种方式分别获取数据并进行处理,着重分析了三维激光扫描方式在古建测绘中的精度、效率及不足。

2 案 例

位于宁波市江北区的慈城,是江南极少数保存较为完好的古镇,保存了大量的古建筑群,如孔庙、会馆等,为宁波市最高等级的文化遗产项目。本文选取建于唐天宝年间的清道观主殿为对象,同时采用三维激光扫描技术和传统测量技术进行测绘。

2.1 准备工作

三维激光扫描之前需要对测区进行踏勘并收集资料,掌握测量的重点要点,确保测量工作的顺利开展。同时,根据测区的特点和项目精度要求,对架设扫描仪的精确位置予以详细规定,原则上要保障扫描设站数最小、扫描内容和范围最大、冗余数据最小、靶标设置最合理、影像成像最清晰。

2.2 测绘方法

一般而言,采用地面三维激光扫描技术对古建筑进行扫描时,需要分站架设从而获取古建筑内外部的点云数据,然后拼接、去噪等步骤获得预处理后的点云数据,在此基础上绘制古建筑的平面图、立面图、剖面图及三维模型,应用流程如图1所示:

(1)三维激光扫描

①控制测量:本实验采用后视定向的方法来拼接点云,因此,需要对扫描站点进行控制测量,该测量按照1∶500地形图测量图根点要求进行。

②点云获取:将激光扫描仪及后视靶标球分别架设在测站点和后视点上,依次获取古建筑内、外部的点云数据;

③影像获取:本项目中采用的是RIEGL VZ-400激光扫描仪,能够在单站点云扫描完成后自动获取影像。此外,还需要对建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照,以便给古建筑三维模型提供纹理信息。

(2)数据预处理

点云数据的预处理包括噪声点及冗余数据的剔除、点云拼接及点云赋色等内容。由于扫描仪自身原因会产生一定的噪声点,同时还需要剔除与古建测绘无关区域的点云数据。通过配准,将外业扫描获取的单站数据归至同一坐标系下,合为一个测区的整体点云成果;再通过与点云配准后的影像给点云赋色等内容即完成了点云数据的预处理。

(3)数据成果制作

目前古建筑保护需要应用到的资料有平面图、立面图、剖面图和三维模型等。其中,平、立、剖面图采用PointCloud软件通过特征点、线、面的采集和编辑等来完成(如图2～图5所示);三维模型主要采用Geomagic软件提供相关工具,并对获取的点云数据进行自动拼接,影像匹配也由该软件自动匹配。分析和制作建筑的主体几何结构,从而搭建建筑几何模型,然后将模型导入3ds Max软件中完成纹理贴图,即可获得古建筑的精细三维模型(如图6、图7所示)。其中,个别古建筑区域有存在点云空洞,采用Geomagic软件功能填补,其主要原理是通过空洞周围的点进行线性或曲面的插值来填补空洞。

图2 建筑立面图

图3 建筑一层平面图

图4 建筑二层平面图

图5 建筑剖面图

图6 基于点云绘制的精细三维模型

图7 建筑部件三维大样

3 案例与分析

3.1 数据分析

从外业数据采集情况来看,利用RIEGL VZ-400采集的激光点云数据密度大,能清晰地反映扫描对象的特征,从而满足制作平面图、立面图等成果的需要,但同时也存在扫描死角。主要有两方面的原因:①扫描仪自身存在一个扫描范围夹角,如本文使用的RIEGL VZ-400扫描仪在垂直方向上的30°～130°,而古建筑往往建有多重屋檐、天井、小隔间等,空间局促,因而,易留下扫描死角;②扫描对象被遮挡,这种现象在古建筑扫描的时有出现,比如外围墙被杂草遮挡,内屋顶被隔板遮挡等。

3.2 精度分析

三维激光扫描仪单站扫描精度能达到毫米级,但本文是通过后视靶标球定向的方法来完成各测站点云到绝对坐标系的转换。测站及后视点的绝对坐标采用网络RTK与全站仪测量方式获得。本文对案例中建筑物主要特征点的平面位置精度(中误差)进行了检查,如表1所示。

从表中可以看出,利用VZ-400扫描仪获取的建筑物主要特征点的平面中误差为±0.064 m,满足古建筑测绘的精度要求。三维激光点云及其成果的数学精度主要受三方面的影响,首先是扫描仪的测角和测距精度等仪器精度影响,其次是控制测量精度,最后是点云数据拼接、配准等数据处理的误差影响。一般情况下扫描仪自身测量精度可达到毫米级,对点云成果精度的影响可忽略不计,点云成果绝对精度主要取决于控制测量精度;因此,可以采用提高控制测量的等级,同时,在扫描测站之间采用公共标靶的方式拼接点云以减少控制测量点的方法来提高激光点云的绝对精度。

3.3 效率分析

本文通过与传统人工测绘方式的比较,统计了基于三维及激光扫描方式的测量效率统计,如表2所示:

表2 以案例四为例激光数字化测量技术与传统测量技术对比

从表2可以看出,基于三维激光扫描数字化测量技术的总工作量为78人工天,基于传统手工测量技术的总工作量为85人工天。前者外业工作大为减少,后者内业处理略微减少。但从人员构成和软件成熟度来看,前者效率提高的空间要远远大于后者。

基于三维激光扫描的古建筑数字重建和基于传统手工测量技术的古建筑测绘两种技术优劣性不是绝对的,会随着测绘对象的不同而变化。导致这种现象的原因是测绘对象的复杂度。如果我们把建筑空间局促、低矮破败、不规则、成片相连、内部陈设多而杂乱、斗拱等木结构复杂视为建筑复杂度高,相反,建筑高大、内部空旷、陈设少而有序、独立成栋、斗拱等木结构简单视为建筑复杂度低。

4 结 语

本文阐述了三维激光扫描技术应用于古建筑保护的技术流程,并以宁波慈城清道观为基础,分析了该技术获取的点云数据的精度、效率以及在实际古建筑测绘中存在的问题。通过验证,三维激光扫描技术能很好地应用于古建筑的平面图、立面图、剖面图及三维模型制作中,且精度满足古建测绘要求,此外,还总结出了该技术与传统在不同古建筑测绘中各自的优势,对古建筑测绘具有一定的借鉴意义。

[1] 王莫.三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究[J].故宫博物院院刊,2011(6):143～156.

[2] Mody F K,Hale A H.Borehole stability model to couple the mechanics and chemistry of drilling-fluid/shale interactions [J].J Petrol Tech,1993,1093:1101.

[3] 周立,李明,毛晨佳等.三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J].上海建设科技,2011(4):47～48.

[4] 刘春,陈华云,吴杭彬.激光三维遥感的数据处理与特征提取[M].北京:科学出版社,2010:29～38.

[5] 余明,丁辰,过静珺.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学,2004,29(5):69～70.

[6] 丁宁,王倩,陈明九.基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J].山东建筑大学学报,2010,25(3):275～276.

[7] 马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉:武汉大学,2005.

[8] 龚卫光,龚建江.RIEGL三维激光扫描技术应用于卡拉水电站坝址区的三维纹理模型制作[J].大坝与安全, 2010,4:40～42.

Application of 3D Laser Scanning Technology in Historical Buildings Surveying

Ye Xiaoting
(Ningbo Institute of Surveying and Mapping,Ningbo 315042,China)

Based on 3D laser scanning technology in ancient building protection application research,briefly describes the technology process,and analyzes the application of technology in the protection of ancient buildings in the accuracy,efficiency and the existing problems.Experimental results show that the technology can meet the requirements of historical buildings surveying,and summarizes the technology and traditional in different ancient buildings surveying in their respective advantages,which has certain reference to ancient building surveying.

3D laser scanning;point cloud accuracy;ancient building surveying

2014—05—05

叶晓婷(1965—),女,高级工程师,研究方向为摄影测量与遥感、激光扫描技术。

国家自然科学基金资助项目(40971192),该项目获得2013年度全国测绘科技进步奖一等奖。