三维激光扫描技术在古墓测绘中的应用

吴吉贤，徐晓峰，杜海燕

(1. 燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004； 2. 北京麦格天渱科技发展有限公司， 北京 100001; 3. 辉固地球数据(秦皇岛)有限公司，河北 秦皇岛 066004)

天宝测绘解决方案专栏

三维激光扫描技术在古墓测绘中的应用

吴吉贤1，徐晓峰2，杜海燕3

(1. 燕山大学建筑工程与力学学院，河北 秦皇岛 066004； 2. 北京麦格天渱科技发展有限公司， 北京 100001; 3. 辉固地球数据(秦皇岛)有限公司，河北 秦皇岛 066004)

古建筑物的保护或复原工作尤为重要。古建筑保护复原的基本工作是通过建筑物的尺寸、位置、相对关系等关键数据绘制建筑物图集。建筑测绘是获取数据的必要手段，也是研究中国古建筑历史和建筑理论的辅助措施。古建筑物测绘就是借助既有的测量仪器，使用规定的测量方法，测量获取建筑物构件的尺寸和拓扑数据，进而绘制相关图纸并撰写测绘技术报告，即综合运用测量和绘图技术来记录和表达古代建筑。

1 古建筑测绘方法

随着现代科学技术的迅速发展和测绘仪器的更新换代，古建筑测绘方法更加多样化，且不同方法对应的测量精度也各不相同。传统的测绘方法是以直尺、角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸，获取的最终资料是图样(即图纸)和一些文字记录。传统测绘方法主要以少数合理选择的特征点替代建筑物整体，通过获取特征点的属性数据，进一步绘制出建筑图纸。张文江等使用经纬仪对建筑物进行了无损测绘;廖小辉等证明了全站仪在古建筑测绘中的可行性;张为成等使用全站仪结合数码相机绘制了建筑立面图。以上方法均以特征点为基础进行测绘，特征点的优劣直接影响最终建筑物图纸的精度，且其选择主要依靠测绘工程师的个人经验和临场判断能力，具有较大的不确定性。随着激光技术的革新，三维激光扫描技术的应用更加广泛，通过三维激光扫描仪，将现实场景以三维激光点云的形式存储与再现，实现了从单点测量到面状测量、从平面测量到立体测量的转变。三维激光扫描技术是通过拼接、去噪等预处理的点云数据，将绘制古建筑测量系统和无合作对象的激光测距系统组合在一起的一种快速测量系统。其以高密度、高精度的点云数据代替传统测绘单点测建筑物的平面图、立面图、剖面图及三维模型，具体操作流程如图1所示。

图1 三维激光扫描技术古建筑测绘流程

2 三维激光扫描案例

2.1 测区概况

测区坐落于河北省保定市曲阳县南15 km、羊平镇田庄村东的田庄墓葬，坐北朝南，长66 m，封土为直径34 m的圆形。入口至地表落差约2 m，最深处距地表约8 m。地下结构复杂，总墓室数为12个，全部为青砖砌筑。墓葬开挖土圹面积达675 m2。

2.2 技术方案及作业

项目选用Trimble TX5三维静态扫描仪作为主要测量仪器。由于田庄古墓结构复杂，死角较多，基于对成图精度和古墓完整性的考虑，通过现场踏勘，最终确定测站点22个(如图2所示)。比较不同作业模式下仪器测量的精度，数据点云拼接模式选用有标靶和无目标配准两种模式。每一站单独获取点云数据，无目标模式下点云采用绝对坐标模式，有标靶模式则为相对坐标模式。测量外业共耗时3 h。外业作业完成后，采用Trimble 3D静态激光扫描仪后处理软件RealWorks，在无目标配准下，22站测量数据拼接成功共花费25 min，拼接精度为4.3 mm，并生成配准报告；有标靶配准状态下，点云拼接耗时5 min，精度为1.9 mm，并生成配准报告(如图3所示)。

图2 三维激光扫描测站点分布

图3 TC001号点配准报告(有标靶)

2.3 数据成果展示

三维激光扫描后处理软件在彩色点云数据基础上，结合内置高像素全景相片可以生成渲染图、等高线图、任意方向的剖面图，以及以三角网为基础的三维模型图，借助于3ds Max等专业建模软件，还可以将残缺部分复原，如图4所示。以上功能为古建筑物保护提供可靠、准确的数据，且精度较高。

图4 三维激光扫描数据成果展示

因此，三维激光扫描技术应用于古墓保护测绘，作业模式较传统模式方便、快捷，大大降低了劳动强度，测量精度高，模型化精度高且精度均匀，可全天候进行测绘工作。后期数据处理后，以彩色点云为基础，可生成满足各种需求的生产用图。通过此方法，可分类建立建筑物三维点云数据库管理系统，实现古建筑物测绘数据库的多维度利用，如建筑物平面图、立面图、剖面图的重建，建筑物变形观测，建筑物局部区域特征细节刻画，建筑物损坏部位的恢复等。

3 结束语

本文使用Trimble TX5三维激光扫描仪对田庄古墓进行了测绘复原工作。该方法操作方便，工作效率高，可全天候作业，无接触测量模式对建筑物零损坏，克服了传统测绘作业劳动强度大、外业操作复杂、难以表达复杂建筑物等缺点。测量成果经后期处理，可生成各种图纸，满足不同层次、不同类别工程技术人员的需求。

(本专栏由天宝测量部和本刊编辑部共同主办)

国家自然科学基金青年基金(51308486)

吴吉贤(1981—)，男，硕士生，讲师，主要从事土木工程测量方面的科研教学工作。E-mail: wjx44@163.com