点云-数字化测绘方法在宫庙建筑测绘中应用

黄 巍 缪 远

(福建工程学院 建筑与城乡规划学院 福建福州 350108)

0 引言

古建筑测绘是通过测量和绘图获得古建筑信息的测绘活动，它包含勘察、现场测量、资料整理和绘制测绘图等几个步骤。古建筑测绘是古建筑保护和研究的基础工作，是获得古建筑信息重要渠道。

点云-数字化测绘方法是指运用激光三维扫描获取建筑的数字信息，再通过信息整合、数字化建模等工作，将测绘成果以建筑数字化模型和测绘图纸方式呈现，其优势是节约测绘时间和人力。

近年来，国内外开始尝试应用点云-数字化测绘方法对古建筑进行测绘，展现其显著优势。本文选取福州地区具有代表性的宫庙古建筑群进行测绘，通过比较传统古建筑测绘方法与点云-数字化测绘方法(下文简称点云测绘)在古建筑测绘实践中的差异，探索新方法对传统测绘的发展和补充。

1 研究对象

福州地区保存较多传统宫庙建筑。这些宫庙建筑一般由山门、戏台、拜亭、看楼、主殿几个建筑单体构成。以4个条件选择研究对象。

(1)能代表福州地区传统宫庙建筑特色。

(2)现仍得到良好保护，没有严重的损毁或者重建，有利于测绘成果的完整性。

(3)所有建筑单体位于一个院落，有利于保证三维扫描数据的完整性。

(4)建筑功能、规模、布局及其建筑方式应相似，便于比较研究。

综上，本文选取两座道教宫庙：福胪寺泰山堂与荆山境宫庙为案例。

1.1 荆山境宫庙

荆山境宫庙(后文简称荆山境)位于闽侯县荆溪镇，始建于南宋，现存建筑建于清同治年间，主祀龙岭王，左右配祀福善王、苏学士、临水夫人等当地保护神，是闽侯县文物保护单位，如图1(a)所示。

荆山境为一进合院式建筑，建筑总长21.9m，总宽20.1m，建筑占地面积440m2。主要单体建筑沿中轴线展开，依次分别为戏台、拜亭、正堂，中轴线两侧相对分布有看楼和钟鼓楼各1座。

1.2 福胪寺泰山堂

福胪寺(又名泰山堂)，明永乐年间(1403年)始建护佑航行的妈祖庙，后于清康熙六年(1667年)，在妈祖庙原址上建成福胪寺，后殿(地藏殿)圮于20世纪50年代，1990年重建。现为福建省文保单位，如图1(b)所示。

福胪寺为两进合院式建筑，建筑总长38.1m，总宽22.5m，建筑占地面积857m2。主要单体建筑沿中轴线展开，依次分别为戏台、拜亭、正堂，后殿，中轴线两侧相对分布有看楼和钟鼓楼各1座。本次测绘的区域为第一进院落，占地面积670m2。

图1(a) 荆山境 图1(b) 福胪寺

2 研究内容

本文运用比较与分析两种测绘方法，研究古建筑测绘中差异，即：两组测绘人员分别对同一类型和规模的两座宫庙建筑进行测绘：其中一组人员运用传统古建筑测绘方法测绘泰山堂。另一组人员则采用点云-数字化测绘方法测绘荆山境，以研究两种测绘方式的差异。

古建筑测绘根据测绘工作是否在现场进行可分为“外业”与“内业”两个阶段。

点云测绘的外业阶段指通过三维激光扫描获得点云数据的过程，内业阶段包括点云数据整理以及测绘成果展现过程。

三维激光扫描的核心原理是激光测距，即通过测量两点间激光传输所需时间求得间距。对扫描对象表面进行密集多点测距，即可获得扫描对象的完整三维空间信息[1]。如果在三维视角里观察扫描信息，则可直观地看到采集到的每一个点的空间位置，这些密集的空间“点”组成了被测物体的空间形态。这些“点”本身就被形象地称之为“点云”。处理过的点云即可实现空间形态的观察、空间距离的量取和三维模型的拟合等操作[2]。

2.1 点云数据采集

点云数据采集即运用三维激光扫描仪获取测绘对象的点云数据的过程，是测绘外业的主要工作。本次测绘应用美国法如公司生产的FARO Focus3D X130激光扫描仪，分辨率在150m范围内为2mm，其技术性能适用于大部分古建筑以及古建筑群组的扫描测量。

采集过程分3个阶段：站点选择、布站扫描、检查补站。

站点选择：测绘人员在测绘对象中走一圈，确定需要设站扫描位置，并清理遮挡激光扫描的物品。

布站扫描：在预设站点安置并调试扫描仪，在扫描仪可视范围内布置多个标靶球，用于各站点之间的点云数据拼接，开机扫描,如图2(a)，图2(b)所示。

检查补站：通过扫描仪监视器检查扫描数据是否有数据缺失。如有缺失，需立即选点补测。

(a) 安置并调试好扫描仪 (b) 布置多个标靶球图2 布站扫描

2.2 点云数据建模

三维扫描所得测绘数据不仅数量庞大，而且每一扫描站点获得的测绘数据只是测绘对象的一部分。因此，点云数据需经过数据拼合、冗余点云简化和清理等阶段,最终才能获得用于建模的有效数据。

点云数据拼合：将各站点扫描的点云数据导入FARO SCENE软件，注册标靶球，进行全局配准并拼接数据。

冗余点云清理：将拼合完整的点云数据导入点云处理软件Geomagic Foundation，清理冗余数据和噪点，获得完整点云数据模型，成果见图3(a)所示。

2.3 数字化建模

本文运用Undet for skechup软件对点云模型进行数字化建模。首先，将点云数据进行格式转化，再导入Undet for skechup。之后，将点云模型空间形态绘制成建筑空间模型，见图3(b)。以skechup为基础导出平面图纸，并深化建筑平面、立面、剖面等，如图4～图5所示。

图3(a) 荆山境点云数据模型 图3(b) 荆山境skechup模型

图4 荆山境平面图

3 两种测绘方法比较

3.1 测绘流程比较

(1)传统测绘流程

①现场踏勘；

图5 泰山堂平面图

②测绘人员分组对古建筑单体空间进行测量和拍照；

③现场记录测绘数据并绘制草图；

④根据测绘草图和测绘数据绘制测绘图；

⑤依据测绘图进行计算机建模。

在分组测量和绘制测绘图过程中，每位组员分工完成测量、拍照、记录、绘制草图、汇总及绘图等工作，具体如表1所示。

(2)点云测绘流程

①三维激光扫描仪布站测量；

②拼合并整理点云模型；

③依据点云模型绘制数字化模型；

④数字化模型导出测绘图纸。

此见，点云测绘只需要较少的测绘人员，且每位测绘人员可独立完成所有测绘工作，如图6所示。

图6 测绘流程比较

3.2 测绘模式比较

建筑测绘是把建筑空间转换成数据，进而记录在图纸的过程。研究测绘流程，笔者发现两种测绘方法在测绘模式上有着显著的差异。

在传统古建筑测绘模式中，测绘人员通过测量古建筑的实体空间获取测量数据，并以测量数据为依据绘制图纸，最后将平面图纸转化为空间模型。整个测绘过程经历空间-数据-平面-空间的思维转换。

点云测绘以建构数字化空间为目的。 测绘过程中，三维扫描仪获得古建筑空间的点云数据，经过整理成为点云模型(见图3(a))。测绘人员依据点云模型进行电脑建模(见图3(b))，也可将电脑模型导出为测绘图纸。测绘图纸可视为数字模型的映射，测绘模式比较如图7所示。

图7 测绘模式比较

比较而言，传统测绘方法测绘的每个阶段相对独立，对测量设备配置要求不高，更易于操作。点云-数字化模型测绘方法在测绘的每个阶段都可以直观地看到测绘对象的空间模型，但对测绘人员的综合能力要求比较高，如图8所示。

图8(a) 同一位置和视角下的古建筑照片 图8(b) 点云模型 图8(c) Skechup模型

3.3 制约因素比较

(1)天气因素

在传统测量过程中，严寒酷热的天气会降低测量工作效率，甚至引起测绘人员中暑或风寒。如遇到暴雨和台风天气则无法进行测绘。相较而言，激光扫描仪只在台风天气无法使用。

(2)测绘设备

传统测量是分组展开，每个测绘组都需要有整套测绘设备，测绘设备数量和质量严重制约测量效率；点云测绘只需1台激光扫描仪可以快速完成所有测绘数据的采集。

(3)测量安全

在测量过程中，需要进行高空或者临空测绘，因此测绘安全事故偶有发生；而激光扫描仪无需进行临空作业。

(4)古建筑保护

许多古建筑由于年久失修，建筑构件易损，不宜进行接触测量；而激光扫描仪可以在不接触测绘对象的情况下获得测量信息。

综之，点云测绘受各种制约因素影响比较小，能较快完成测绘。

4 结论

(1)外业阶段，传统古建筑测绘一般是两人测量、一人记录的工作方式，如建筑群组比较复杂则需要更多的测绘人员。点云测绘只需要一人即可完成外业工作。

(2)传统测绘方法测绘成果，以平面图纸形式展现。点云测绘获取测绘对象的三维数据，展现出多样化的成果。依据点云数据可绘制三维建筑模型、细部模型、测绘平面图、装饰大样等。

(3)相较传统古建筑测绘方法，点云-数字化模型不仅要求测绘人员要有古建筑理论知识和测量实操能力，还需掌握数字化建模知识和一定的编程能力。因此，对测绘人员的专业素养要求更加综合。

(4)传统测绘的成果为平面图纸，难于被大众阅读和理解。点云测绘成果为三维立体模型，可以运用于数字化博物馆和线上博物馆，为大众所关注。

(5)传统测绘方法受到天气、安全、文物保护等制约较多，点云测绘则较少受上述因素制约。

综上，点云测绘能够快速地获取数字化信息，但在实际古建筑测绘过程中还不能完全替代传统古建测绘方法，只能作为其创新性的发展与补充。

参考文献

[1] 臧春雨．三维激光扫描技术在文保研究中的应用[J]．建筑学报，2006(12)：54-56.

[2] 孙闯.华林寺大殿大木设计方法探析[D].北京：清华大学，2011.