三维激光扫描技术在高职实践教学中的应用——以古建筑测绘实训课程为例

(天津国土资源和房屋职业学院天津，天津 300270)

三维激光扫描技术又称为高清晰测量技术，起源于上世纪五十年代，于上世纪末迎来发展高潮并影响至今。它通过非接触测量方式获取高精度三维图像，快速将实体转换成数据，真实反映物体的大小、形状、材质、颜色等信息，并且不受时间、天气等限制。正因如此，三维激光扫描技术已广泛应用于古建筑保护领域，并日益发挥更加重要的作用，特别是古建筑测绘方向，通过点云模型及各类衍生模型建立古建筑信息库，形成集设计、施工、观测于一体的保护体系已成为古建筑保护的趋势。作为职业院校，更应紧跟时代，将前沿技术引入校园，打开学生实践创新的新思路。那么，如何将三维激光扫描技术引入课堂，通过实践性教学培养三维激光扫描技术的使用能力，就成为我们需要研究的内容。

一、三维激光扫描技术的实现

三维激光扫描技术利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标信息和反射率信息，将各种大实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速复建出被测对象的三维模型及线、面、体等各种图件数据。而后通过绘图软件、模型制作软件等，将点云数据转化成线性图形文件或立体图形文件。三维激光扫描一般通过数据收集及数据处理两步实现：

(一)数据收集

数据收集包括站点设置、仪器安装、连续扫描等步骤。站点设置包括测站位置的确定及标靶的摆放两项内容：测站位置的确定要结合待测建筑的规模大小、形式复杂程度及数据要求的精确程度；标靶多采用标靶球的形式，特殊情况下也可由标靶纸代替，其摆放应遵循“为下一站服务的原则”，尽量做到一个标靶服务至少两站。

仪器安装包括三脚架架设、对中整平、仪器参数设置等步骤。三脚架架设、对中整平参照全站仪的设置，一般所需时间较短；仪器参数设置包括工程文件名、文件贮存路径、扫描精度、是否照相等，操作界面如图1所示。

仪器参数设置正确后开始扫描。扫描仪会记录扫描的进度，也会反映三脚架不平、电量不足等问题，可以依据实际情况及时改正。扫描成果及时检查，如不符合要求应及时重新返工。为保证扫描的质量，我们应该连续扫描，当受客观条件不能保持扫描的连续性时，应在过渡标靶位置做好标记。

(二)数据处理

数据处理通过专业软件完成，一般包含点云拼接、图像切片、线划图件等三个步骤。点云拼接是指通过站点间共用标靶将不同测站的点云模型整合为完整模型的过程，并将影响扫描结果的车辆、行人、树木等通过去噪步骤处理好。图2所示为Z+F三维激光扫描仪拼接软件界面(编者注：此处图2略)。

图1 Z+F三维激光扫描仪设置界面

图像切片是指拼接好的点云模型在Cyclone软件中进行处理，得到平、立、剖面JPG格式文件，为AutoCAD制图提供图形参考。切片处理应注意全面，例如墙体下部一般会包括踢脚、护墙板等构件，这时我们应对墙体进行多次切片处理，通过对比得到准确图形。图3为建筑平面切片(此处图3略)。

线划图件通过AutoCAD 、天正等绘图软件实现，在绘图过程中，要逐一分析图像代表的意义、认真核对图形的数量关系，力求得到最为准确的图形。图4为经过整理的电子图纸文件。

图4 电子图纸文件

二、三维激光扫描技术在古建筑保护领域的应用

在古建筑保护中，古建筑测绘一直占有重要地位。由朱启钤发起，成员包括梁思成、刘敦桢等建筑大师在内的营造学社便将古建筑测绘作为主要学术活动之一，学社测绘范围涵盖山西、河北、河南、山东、江苏、浙江诸省，测绘对象涉及唐、辽、宋、金等时期中国古代木结构及北朝以来的砖石塔、各类桥梁和摩崖石窟等，这些测绘资料为我国保护、复建古建筑提供了详实的第一手资料。

但是传统测绘方法采用单点测量设备，仅适用于体量较小、形态规则的古建筑，对于规模宏大、结构复杂、形态自由的古建筑则显得力不从心，特别是古建筑中的石刻、砖雕、油漆彩画等，传统拓片只能描述其大致轮廓，而不能表现其材质、颜色及做法等。引入三维激光扫描技术，改变传统测绘方式、以三维数字信息取代传统测绘图纸，为古建筑保护提供了新的思路，主要体现在以下方面：

(一)建立古建筑信息库

我们可以将三维激光扫描过程中的每一阶段成果，包括点云模型、线画图纸、三维立体模型等以电子形式整理归档，形成古建筑信息库，实现文物位置、形式、结构、材料、颜色、作法等的长久保存。更可以将这些信息经过系统归纳、整理后利用公众平台展示，满足科研人员、企业员工、社会学习者等不同人群的不同需求，服务于他们的专业学习、职业成长与终身学习。

(二)观测古建筑变形

古建筑保护是一个长期、动态的保护过程。我们应通过对古建筑定时测绘，得到同一被测对象不同时期的基础数据，前后数据对比，发现被测对象在地址变化、风雨侵蚀、自然老化等因素影响下的变形，为古建筑修缮提供准确资料、为已修缮建筑进行后期评价。虽然这一过程亦可通过传统测绘完成，但采用三维激光扫描技术的数字成果无疑会极大地节约时间及人力成本，并提高对比的准确性。

(三)与其他技术结合多方位展示古建筑

我们可以通过线化图件与BM技术结合，记录古建筑修缮过程中的结构、设备信息，提高后期维护中精确性；线化图件同样可以与3D、草图大师等三维成像软件结合建立三维模型，更可以加入漫游等视觉效果，大范围、多方位展示古建筑；还可利用3D打印技术批量制作古建筑模型，为专业技术人员提供研究构造做法的工具。

三、结合三维激光扫描技术的古建筑测绘实训

在新时期下，古建筑测绘正逐渐摆脱传统测绘手法的束缚，借助先进的三维激光扫描技术，我们可以更快速、精准的进行信息收集，结合古建筑信息库，形成数字化的古建筑保护体系。在此背景下，将三维激光扫描技术引入古建筑测绘课程，培养学生对新理论、新技术的学习能力、掌握能力，使学生在完成学校教育之后能够自信的面对市场与用人单位，更加迅速、灵活的适应行业要求及行业变化势在必行。

因此，我院积极购入三维激光扫描仪，期待在教学中引入新技术。鉴于古建筑测绘课程以测绘理论、传统仪器使用为主要授课内容，我们将三维激光扫描技术的学习安排在以实践教学为主的实训课程中。探索三维激光扫描技术在实践教学的应用成为研究重点。

古建筑测绘实训是古建筑工程技术专业学生在古建筑测绘课程学习的基础上集中进行的测绘实训项目。通过测绘课程中的理论学习及课堂实训，学生已掌握传统古建筑测绘的流程、一般方法及常用测量仪器的使用等测绘基础知识，能够较为自主的安排测绘的流程、控制整体测绘的进度；在此基础上安排三周(6课时X5天X3周=90课时)时间的集中实训，选择校外仿古建筑、采用最先进的技术手段、结合改革后的测绘安排，期待得到更为现代化的数字化信息，同时提高学生的新技术掌握能力，增强就业竞争力。

(一)课程内容设计

测绘实训内容以实践为主、理论为辅，在三周内完成以下教学内容：三维激光扫描仪的工作原理及使用方法、三维激光扫描仪的使用练习、外业测量工作流程、测量数据的处理、测绘图纸的绘制、成果打印等环节。课程内容设计、授课方式及学时分配见表1所示。

表1 课程内容设计及学时分配表

(二)测绘对象选择

测绘实训选取了大港湿地公园仿古办公室及仿古凉亭作为测绘对象，仿古建筑具备古建筑的外观形式，但采用了现代化的材料与技术。在测量过程中，学生们需要分析待测建筑的平面功能与立面造型，不仅要弄清待测建筑的结构形式、构造做法及用工用料，还要对比仿古建筑与传统建筑的差别，深究造成这种差别的原因。所以本次测绘除了完成测绘课程实训外，对于学生全面理解之前所学的理论知识也有很大的帮助。

为了帮助学生很好的了解待测建筑，制定测绘对象调研表如表2以供参考如表2。

表2 测绘对象调研表

注：灰色部分为学生自主填写部分，()内为完成填写所采用的方式方法。

(三)测绘过程组织

测绘对象位于校园外，在测量过程中学生要到各房间以及屋顶实施测量，难免要给测量对象管理单位带来麻烦，所以由教师出面和公园管理部门进行沟通，得到公园管理部门的支持和帮助。测绘过程如下：

1.人员组织

学生依据自愿原则选择测绘对象，形成两个测绘组，选出两个小组长，负责组内实训考勤和仪器管理。每位同学要独立完成测绘过程，但鉴于三维激光扫描仪的台数较少及扫描时间较长等因素，小组内共用一台三维激光扫描仪及原始扫描成果；在补充测量阶段组内同学互帮互助，配合协调。

2.仪器选择

我院现在拥有一台Z+F IMAGER 5010C型三维激光扫描系统。此型号扫描仪可以进行水平360°、垂直320°的全方位扫描，测程可达187m，每秒进行1016027个点的扫描。

3.数据收集

确定测站位置：仿古办公室位于湿地公园入口，建筑正面地形平坦、遮挡物较少，但背后紧邻一条小河，只能在背角处架设仪器，为防止扫描结果不全面，要在两个背角处设置测站；通过观察，仿古凉亭为中轴对称形式，且地形复杂、树木假山等遮挡物较多，我们只选择利于扫描的三个立面进行扫描，通过后期处理完成完整点云模型。

仪器设置：完成仪器架设、调平对中后就可以设置扫描参数了。为便于资料整理，参考扫描日期及扫描对象的汉语拼音设置项目名称；考虑到两个被测建筑体量较小、造型简单、扫描距离较近，分辨率采用Middle档，质量采用High 档，这样既能节约扫描时间，也保证了扫描质量。为达到对比效果，仿古办公室扫描过程不开启照相机，仿古凉亭则开启。

分组扫描：仿古办公室处人员流动较大，为避免走动的人流对扫描产生影响，安排这一组同学早到早扫描，同时安排两次扫描，便于后期数据处理；扫描过程中保证仪器有人看守，对于走进的参观者应及时制止，并向对方进行解释说明；标靶球放置于明显位置，注意避免游人碰触。扫描成果如图5所示。

4.数据处理

去噪、拼接：仿古办公室处来往的人流不可避免的出现在扫描结果上，我们通过两次扫描结果合并可以将“出镜”的人、车去掉；在拼接前完成去噪处理，考虑计算机的运行速度，可以将点云模型分辨率调低；拼接时依照测站的位置给标靶球逐一标数，保证拼接的连续性与完整性；

图形绘制：绘制图形的数据可以直接测量完整点云模型，也可以通过在Cyclone软件进行平、立、剖面图的切片处理，直接在绘图软件中描画；为训练提高学生对被测建筑的了解，要求学生在模型中量取数值，不清楚的位置补充测量。

图5 仿古办公室点云模型

(四)测绘成果要求

测绘成果由扫描成果、测绘图纸构成。扫描成果来源于三维激光扫描仪，表现学生对于新技术的掌握情况及后期数据处理能力。扫描成果包括完整的点云三维模型及通过软件生成的平、立、剖面图，特殊位置还需要大样图补充。

测绘图纸采用计算机绘图形式。测绘图纸应包括各层平面图、各立面图、主要横纵剖面图等，其深度应接近施工图。具体评分要求如表4所示。

表4 测绘成果评价标准

在这里，我们要特别注意尺寸标注：平面部分尺寸标注包括满外尺寸、轴线尺寸、洞口尺寸、墙体尺寸、平面标高等；立面部分尺寸标注包括满外尺寸、各层尺寸、洞口尺寸及层高、洞口标高等。

总结

通过古建筑测绘实训课程的精心安排，将三维激光扫描仪的工作原理、使用流程及数据处理、图形绘制等实践过程串联，既满足教学过程的连续性又符合学生的认知规律。教学中突破传统教学方式，以动手能力培养为主、以理论讲授为辅，力图激发学生的主观能动性，培养学生动严格的科学态度和工作作风。