三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用研究

张远翼，张 鹰，陈晓娟

（福州大学建筑学院，福建福州 350108）

三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用研究

张远翼，张 鹰，陈晓娟

（福州大学建筑学院，福建福州 350108）

根据古建筑测绘的特点以及传统测绘方式的不足，在介绍三维激光扫描仪测量原理的基础上，结合三维激光扫描仪在古建筑测绘的优势，以福建武夷山市城村赵氏家祠为例，从古建筑数据的采集、测绘数据的处理到CAD测绘图纸的生成研究三维激光扫描仪在古建筑测绘实践中的实际应用效果。针对三维激光扫描仪测绘过程中庞大的数据量以及Cyclone软件缺陷问题，提出了“分组处理、整合拼接”的应对策略。

古建筑测绘；三维激光扫描仪；点云数据；Scanstation C10

建筑测绘是建筑学和城乡规划专业的一门必修的实践课。建筑测绘最合适的对象是古建筑，因为古建筑是国家和民族的文化遗产，它们经历了历史岁月的沧桑，亟待保护。古建筑保护工作最基础的一项任务是对保护对象进行完整的测绘，并进行数据存档，以便日后研究或者复原、重建［1］。

古建筑测绘是测绘学在文化遗产保护领域中建筑遗产记录、监测以及保护工程实施等方面的直接应用［2］。传统的古建筑测绘方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸而获取的，最终资料是图纸和一些文字记录［3］，很难精确地记录古建筑的尺寸和现状信息，一些重要的现场信息，如屋顶梁架、斗拱、雕花等，由于位置较高、结构复杂难以测量，容易发生遗漏和错失，而后期补遗将耗费人力、物力、财力和时间等资源。对于有大量古建筑群及其构成环境的街巷空间而言，人工测绘更加复杂，难度大，不利于对古建筑的保护与数据化管理。

三维激光扫描仪的出现则能够有效地解决上述问题。三维激光扫描仪具有测量精度高、全天候、多方位和操作简便等特点，在快速获取三维数据并建立三维立体模型方面具有较强的优越性。在获取空间数字和图像信息方面，三维激光扫描仪为古建筑测绘提供了一种全新的手段和可能性。

1 三维激光扫描仪的测量原理

三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项高新技术，可全天候、快速、直接、高精度地采集大范围区域的三维信息［4－5］。三维激光扫描仪利用三维激光扫描技术的激光测距原理，以点云数据密集地记录目标物体的表面三维空间坐标、反射率和纹理信息，对空间进行真实的三维记录。激光测距原理主要采用飞行时间测量技术，对于每个点P（x，y，z），扫描仪的激光器发射脉冲信号，脉冲信号到达物体表面，反射回到扫描仪，可以计算出脉冲信号的飞行时间t。由于光速c＝3.0×108m/s为已知值，因此可以计算出物体表面到三维激光扫描仪的距离S。

假设α为激光束垂直方向的夹角，β激光束水平方向的夹角，如图1所示，则P点的三维空间坐标：

图1 被测量点P（x，y，z）的坐标计算

三维激光扫描仪获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是点的集合，称之为“点云”（points cloud），它的每一个像素包含的是一个距离值和一个角度值［6］。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息、点云的发射密度值以及内置相机获取的影像信息。这些原始数据不但能够完整、精确地描述并记录古建筑的现场信息和尺寸信息，而且还能让用户随时随地在计算机上对古建筑的细部进行直接测量，并可调用实测数据进行古建筑CAD二维图形精确转换。因此，三维激光扫描仪能够提高古建筑测绘精度、效率，节省测绘的人力、物力和时间，只要对测绘对象合理进行布点定位全面扫描，就不用担心实测遗漏和错失问题。

2 三维激光扫描仪在古建筑测绘实践中的应用

本次测绘实践以福建武夷山市城村赵氏家祠为对象。测绘仪器采用徕卡（Leica）公司生产的HDS系列一体化三维激光扫描仪Scanstation C10，如图2所示。该仪器最高扫描速度可达到5万点/s，模型表面扫描精度可达到2mm，最大测距能力理论值可达300m，仪器内置500万像素数码相机，可同步获取目标物体的真实影像，为点云数据后期处理提供实景图像数据拟合处理。

图2 三维激光扫描仪Scanstation C10

2.1 古建筑数据的采集

由于受物体遮挡、扫描盲区等影响，在采集古建筑物点云数据时，往往需要进行多测站、多方位扫描。首先必须确定测站和测量标靶的数量及位置，测站的数量和位置要根据测量对象物的大小、外观、复杂度与数据需求进行设定，测量标靶的位置要遵循“为下一个测站服务”的原则，尽量做到“多站式兼顾”，即让尽可能多的测站能采集到标靶的数据，这样有助于减少后期点云数据处理的误差。本次测绘共布设测站点9个，测量标靶9个。布设好测站点和测量标靶后，根据被测对象的特征及其环境采光情况调整好扫描的精度和曝光度，然后采集数据。图3所示为采集到的点云数据。

图3 采集到的点云数据

2.2 测绘数据的处理

由于受视场角的限制以及实体间遮蔽的影响，三维激光扫描仪在一个测站无法获得目标实体完整的空间数据信息，需对目标实体进行多视角扫描，并将各视角的三维数据进行拼接，并转换到同一坐标系中，该过程称为点云数据的拼接［7］。为计算满足如下目标函数的平移矢量T和旋转变换矩阵R、T［8］：

其中pi和qi表示所需要变换的点云。由式（5）可以看出，核心的部分就是如何求得两个坐标变换参数，即平移矢量T和旋转矩阵R。

受移动的车辆、行人以及被测对象周围环境遮挡等影响，三维激光扫描仪在采集数据时，会产生一些模糊、不规则的点云，这些被称之为噪点［9－12］。噪点的存在不仅会影响后期CAD图形的绘制，而且会占用计算机的系统资源和存储器资源，因此必须进行去噪点处理。去噪前后的点云数据效果如图4所示。

图4 去噪前后的点云数据效果对比

2.3 CAD测绘图纸的生成

古建筑测绘的最终目的是得到准确的、能够真实客观反映古建筑原貌的CAD图纸，为古建筑提供系统、详尽的数据存档，为日后的修复、重建提供可靠的资料。为了优化点云数据模型，在Cyclone软件中必须对拼接后的古建筑点云数据模型进行统一处理。然后通过Cloudworx插件将点云数据模型导入到Auto－CAD中进行切片，再利用AutoCAD的绘图功能根据切片特征点和点云数据进行绘图。图5所示为三维激光扫描仪在“赵氏家祠”测绘中得到的带点云数据的门楼立面图。隐藏点云，最终得到“赵氏家祠”的门楼立面图如图6所示。

图5 带点云数据的赵氏家祠门楼立面图

以同样的绘制方法，得到“赵氏家祠”的剖面图和平面图分别如图7和图8所示。

图6 赵氏家祠门楼立面图

图7 赵氏家祠的剖面图

图8 赵氏家祠的平面图

3 三维激光扫描仪在古建筑测绘应用中的思考

本次古建筑测绘实践，无论从精确度、完整性，还是工作效率方面，三维激光扫描技术都表现出传统测绘所无法比拟的优势。但是，由于三维激光扫描仪所获取的点云数据量相当庞大，中等分辨率扫描一个测站点的数据量就达到1.16GB，因此在分析处理时将占用大量的计算机系统资源和存储器资源。而且，目前三维激光扫描仪配套的Cyclone软件在处理点云数据时，只能做到先进行拼接后再进行去噪处理，而去噪是一个非常繁琐的过程，稍不细心就会误删有效数据。因此，为了减小计算机处理数据的开销，提高计算机的数据处理能力，针对测站较多的情况，笔者认为可以采取“分组处理、整合拼接”的方法，即先将测站进行分组，每一组由3～5个测站组成，每组分别拼接并去噪，然后导入到AutoCAD中分别绘图，最后再运用Auto－CAD的插入或外部调入功能，将各个组所绘好的CAD图完好地合并到一起。“分组处理、整合拼接”策略流程如图9所示。另外，本次测绘将以往使用的“黑白标靶”改为“球形标靶”，在数据拼接过程中发现其精度大大提高，甚至可以达到零误差。

图9 “分组处理、整合拼接”策略流程图

4 结束语

三维激光扫描仪作为古建筑测绘的一种新的技术手段，必将会在古建筑测绘应用中得到普及和推广，并在历史建筑保护与再生利用领域中发挥重要的作用。当然，软件方面存在的不足，比如各种普通的特征提取与处理算法直接应用于历史建筑重建中还有一定距离，点云数据向CAD图纸转化的自动化程度较低，这都是目前困扰实际应用的一个重要难题，这些将是日后应用研究解决完善的重要方向。

（References）

［1］王炎松，谢飞.古建保护对于三维激光扫描点云数据处理软件系统的用户需求：以古建测绘中的数据处理为例［J］.华中建筑，2008，26（4）：130－132.

［2］左光之.古建筑测绘教学的研究与探讨［J］.科技信息，2010（23）：188－189.

［3］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）：274－278.

［4］石若明，朱凌，沈涛.建筑规划类院校的3S技术教学设计［J］.实验技术与管理，2011，28（3）：212－216.

［5］尹玉廷.地面3维激光扫描技术在古建筑保护中的应用研究［J］.测绘与空间地理信息，2013，36（2）：91－94.

［6］路兴昌，张艳红.基于三维激光扫描的空间地物建模［J］.吉林大学学报：地球科学版，2008，38（1）：167－171.

［7］高盼，李磊，郭广礼.基于三维激光扫描数据的实体构筑物三维建模［J］.测绘信息与工程，2011，36（4）：10－12.

［8］潘志峰.三维激光扫描技术在3DGIS数据库建模及可视化中应用研究［D］.西安：长安大学，2011.

［9］丁燕，张纪平，王国立.三维激光扫描技术在西藏白居寺保护中的应用及思考［J］.古建园林技术，2010（3）：24－29.

［10］孙新磊，吉国华.三维激光扫描技术在传统街区中保护中的应用［J］.华中建筑，2009，27（7）：44－47.

［11］白成军，吴葱.文物建筑测绘中三维激光扫描技术的核心问题研究［J］.测绘通报，2012（1）：36－38.

［12］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］.文物，2011（8）：84－89.

Research on application of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping

Zhang Yuanyi，Zhang Ying，Chen Xiaojuan
（School of Architecture，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

On the basis of the characteristics of ancient architecture mapping and the deficiency of traditional survey methods，this paper introduces the measuring principle of 3Dlaser scanner at first.Then，combined with the advantages of 3Dlaser scanner in ancient architecture mapping，taking the“Zhao Ancestral Hall”which is an ancient building in Wuyishan City of Fujian Province as an example，this paper studies the practical application effect of 3Dlaser scanner used in ancient architecture mapping，from the collection of ancient architecture mapping data and mapping data processing to the generation of CAD drawings of surveying and mapping.Finally，aiming at the technical problems of a large number of data generated in the application process and the software defects of Cyclone，this paper puts forward a specific coping strategy which is“packet processing，integrated splice.”

ancient architecture mapping；3Dlaser scanner；point cloud data；Scanstation C10

TU198.6；TN249

B

1002－4956（2014）1－0079－04

2013－05－13 修改日期：2013－09－27

2012国家科技支撑计划课题（2012BAJ14B05）；国家自然科学基金项目（51278123）；福建省自然科学基金项目（2011J01303）；福建省中青年教师教育科研项目资助（JA13048）

张远翼（1980—），男，广东潮州，硕士，实验师，研究方向为计算机技术在建筑与城市规划中的应用

张鹰（1963—），男，福建福州，博士，教授，研究方向为古建聚落保护与再生及人居环境科学.

E－mail：architecture＠fzu.edu.cn