三维激光扫描技术在古建筑测量中的应用

郭震冬 黄 亮 顾正东 王润哲

（江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013）

三维激光扫描仪在发射接收装置高速转动过程中进行激光测距[1]，突破了传统测绘方法的单点模式，可以快速获取待测物体表面点云，在竣工测量[2]、变形监测[3]以及建筑信息模型构建[4]等领域已经取得广泛应用。地面静态激光扫描[5]与移动激光扫描[6-7]相比，虽然速度上有所欠缺，但架设站点更自由，可以避免遮挡造成的盲区。

中国的亭台楼阁等古建筑结构很复杂[8]，且部件多为非常规形状，使用GPS或全站仪等传统单点测绘方法很难获取全面准确的特征点坐标。为此，本文实现了利用地面激光扫描技术进行古建筑建模的方法流程。首先，根据古建筑的形状结构特点自由架设激光扫描仪获取多站点云数据；接着，使用ICP（Iterative Closest Point，迭代最近点）[9-10]算法将各站点云配准到统一坐标系下；最后，人机交互在点云数据中勾勒古建筑形状，以构建三维模型，生成古建筑平立剖面图。

对南京夫子庙景区江南贡院内的魁光阁、魁星亭、南院回廊与至公堂进行数据采集与建模，实验证明本文的方法流程能够恢复高精度的古建筑三维模型参数，满足建筑修缮维护与展览的应用需求。

1 方法流程

1.1 点云采集

使用徕卡ScanStation C10 三维激光扫描仪来获取点云，如图1a所示。仪器具有360°×270°扫描视角，描距离大于300 m，速度可达 5 万点/s，在100 m处的扫描密度可以达到0.3 mm，在50 m处的点位精度优于6 mm。

激光扫描仪作业过程中遵循的技术规范：（1） 《城市测量规范》（CJJ/T 8—2011）；（2） 《工程测量规范》（GB 50026—2007）；（3） 《房屋建筑制图统一标准》（GB/T 50001—2001）；（4）《国家基本比例尺地形图图式第1部分：1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图图式》（GB/T 20257.1—2007）。

根据古建筑的特点，激光扫描仪自由架站获取各自独立坐标系的点云，取出三站作为示例，如图1b、图1c与图1d所示。

图1 原始点云

1.2 点云拼接

外业采集回来的点云都有各自独立的坐标系，使用迭代最近点算法（ICP）将其配准到同一坐标系下。ICP的主要步骤如下：

图2 配准点云

1.3 建筑建模

将配准后的点云数据导入到AutoCAD或其他建模软件中，采用人机交互的方式来绘制建筑模型的平面图、立面图以及剖面图。为了便于人眼识别点云中建筑细节，可以采用两个措施： （1）为点云显示添加渲染模式，包括按高程渲染、按强度渲染以及高程强度混合渲染；（2）对点云进行水平切片与竖直切片。建模成果在第二章节展示。

2 实验与分析

以南京夫子庙景区江南贡院内的魁光阁、魁星亭、南院回廊与至公堂作为测试数据，共包含180万个激光点，如图3所示。使用本文方法流程，绘制了四个古建筑的平面图、立面图与剖面图，如图3其中一处实例所示。成果几何精度高，点位误差接近亚厘米级，且可以精确拟合出复杂结构，如飞檐与角梁等。

图3 魁星亭

3 结语

中国古建筑结构很复杂且形状多样，建模时如果使用传统的测绘方法采集数据，无法对其各项参数进行准确的描述。为此，本文设计了使用地面激光扫描技术进行古建筑建模的方法流程。根据古建筑的特点自由架设激光扫描仪以获取多站数据，这些数据都是在各自独立坐标系中，使用迭代最近点算法进行配准；最后，配准点云导入AutoCAD等建模软件中绘制出古建筑模型。进一步研究时要引入点云的边缘自动追踪与样条曲线拟合算法，自动勾勒出古建筑轮廓线，减少内业人员的工作量。