基于三维激光扫描技术的历史建筑建档保护研究

王顺 赵志根

摘  要：古建筑是历史的见证和文化的载体，城市建设理念上的差异以及城市建设进程的不断加快，使古建筑正在遭受不同程度的破坏，古建筑建档保护困难的问题亟待解决。文章以浙江桐庐某历史建筑为例，研究了采用三维激光扫描技术保护古建筑建档的原理、方法、优势。通过点云切片，绘制平、立、剖面以及典型图案建筑现状测绘图，为古建筑建档保护提供一种全新的途径和方法。

关键词：三维激光扫描技术;三维建模;建筑现状测绘图;建档保护

中图分类号：TP391.9                文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）19-0001-06

Research on the Archiving and Conservation of Historical Buildings Based on 3D Laser Scanning Technology

WANG Shun， ZHAO Zhigen

（School of Spatial Information and Surveying and Mapping Engineering， Anhui University of Science & Technology， Huainan  232001， China）

Abstract： Ancient buildings are the witness of history and the carrier of culture. The differences in urban construction concepts and the accelerating process of urban construction make ancient buildings being damaged to varying degrees. The problem of difficult archiving and conservation of ancient buildings needs to be solved urgently. Taking a historical building in Tonglu in Zhejiang Province as an example， this paper studies the principle， method and advantages of 3D laser scanning technology for the archival conservation of ancient buildings. Through point cloud slicing， the building status mapping with plane， vertical， section and typical patterns are drawn， which provides a new way and method for the archiving and conservation of ancient buildings.

Keywords： 3D laser scanning technology; 3D modeling; building status mapping; archiving and conservation

0  引  言

隨着科学技术的快速发展以及测量仪器的更新换代，测绘技术经历了从手工测绘到数字化、信息化测绘的转变，未来将会朝着智能化的方向快速发展。三维激光扫描技术又被称为“实景复制技术”，它是近些发展起来的一项高新技术，突破了传统单点测量的局限性，具有非接触、全自动、高精度、高效率的独特优势。扭转了以往在测绘古建筑基本信息过程中需要耗费大量的人力、物力，并且受天气等外界因素影响的弊端。目前，全站仪、普通钢尺是主要的人工测量工具，然而，三维激光扫描技术的日趋成熟，使其逐渐被广泛应用于城市地图测绘、文物保护、形变量检测等领域。随着数字城市和智慧城市[1]的不断发展，二维数据因其自身的局限性而无法满足人们的应用需求。相对于二维模型，三维模型可以更真实地还原目标物全貌。

三维数据具有形象性、直观性、可视性的特点，这使得三维可视化建模技术的研究热度高居不下。因此，对三维重建技术进行深入的研究具有重要的理论与现实意义[2]。在地籍测绘领域，古建筑建档[3]保护是重中之重，其中点云数据是三维重建中最主要的数据源，为此获取高精度的点云以及合理选择处理点云的方法是极其重要的。为了更详尽地向人们展示古建筑的结构类型，绘制古建筑二维图、三维模型图是必不可少的环节。在现有三维模型展示方法的基础上，制作一个独立的古建筑可视化网页，通过对比分析网页的优势性，证明这种方法是极其有效的。

1  三维激光扫描技术概况

1.1  总体技术路线

本文以浙江桐庐某祠堂建筑测绘建档项目为例，首先，通过三维激光扫描仪和相机采集获取该建筑的原始外业数据;其次，对外业数据进行检查，后进行内业处理，主要包括多站式点云数据的配准与拼接、点云的融合与建模、点云切片、点云精度检查等;最后，按照比例绘制平面、立面、剖面、大样图等二维现状图[4]，这样能够真实地反映出该建筑的建筑布局和特色，旨在更好地展示古建筑所承载的历史和文化[5]。三维激光扫描技术路线图如图1所示。

1.2  三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是通过激光探测回波技术来记录激光发射和反射接收的时间差，当激光接收器接收到返回的激光波，并以回波的能量足以触发阈值时，激光扫描仪计算出扫描中心与目标物之间的距离，同时测量激光发射时每个激光脉冲横向扫描角度值A和纵向扫描角度值B，L代表坐标原点与监测点之间的距离。三维激光扫描原理图如图2所示，获取三维坐标信息后可以根据式（1）求得距离L。

2  三维模型的建立

2.1  外业数据采集

本文选用FARO FOCUS350s扫描仪，将三维激光扫描仪架设在已知的控制点上，确定仪器与建筑物之间无明显的遮挡，打开仪器电源，对中，整平。扫描建筑物本体之前须设定扫描分辨率，为了得到高精度的扫描结果，扫描分辨率设为1/5，粒子质量设为3x。根据前期准备工作中规划好的扫描路线，逐站架设三维激光扫描仪进行扫描，直至成功获取所有站的点云数据为止。相邻测站间的距离宜保持在10 m左右，点距离之间的误差控制在10 mm以内，保证相邻测站间的点云重叠度在30%以上。

2.2  内业数据处理

内业数据处理主要包括点云预处理、点云拼接、点云去噪、点云着色等。处理软件为FARO自带软件scene。通过将获取的点云分组成集群，采用相邻两站点云数据的俯视图和侧视图相匹配的方式进行点云配准，获取单站点云图如图3所示。点云配准是将不同视角下采集的点云数据统一到同一坐标系下，将目标物体的坐标转换为绝对坐标的配准，不断调整二次抽样参数，对配准完成后的点云进行调整，直至消除分层。配准完成后的三维点云图如图4所示。

2.3  点云数据配准质量检查

2.3.1  精度报告分析

配准后的质量检查是数据配准的重要过程。使用SCENE软件不断更换迭代次数，获取不同的精度报告，数据处理前设定某一站为参考扫描，在精度报告中，得到各扫描站位的最大点错误、中点错误，即为各扫描站位与起始参考扫描的偏移值。各扫描点配准后点云精度如表1所示。

根据《地面三维激光扫描作业技术流程》要求，点云经度及技术指标都应该遵循一等作业要求。由点云精度报告统计各扫描点，得到该建筑最大点错误为4.1 mm，最大点错误图如图5所示。中点错误为1.7 mm，中点错误图如图6所示。最小重叠度为29%，控制整体点云测量精度在10 mm以内，点云中误差在1.5 cm以内，以上测量计算结果均满足扫描精度和规范的要求，表示扫描方法及处理结果均符合要求[6]。传统全站仪应用免棱镜测量精度约为3～5 cm，无人机测量精度约为5～10 cm，由此可见，三维激光扫描可以替代全站仪和无人机作业，其在数据获取精度、数据采集效率上具有很大的优势，可应用于更多的建筑立面采集和绘制工作中。

2.3.2  总览图分析

点云配准很容易受对称、类似房间的影响，为了防止建筑物配准后发生错层偏差、结构偏移，则需要检查建筑总览图。配准后点云总览图如图7所示。

图7中的各个圆点代表仪器架站位置，对比检查没有错误。实验点云配准后建筑总览图没有出现错层、离析现象，建筑外墙和内墙均没有出现弯曲、界限分明，建筑轮廓清晰，结果表明配准精度較高。

3  绘制建筑现状测绘图及典型图案

3.1  点云切片

使用SCENE软件对点云进行切片。点云切片是为了更好地观察历史建筑的内部布局和结构，便于计算机软件平面图、立面图的绘制。建筑图一般是按照正投影的方式进行绘制，所以切片时要保证处于水平、垂直方向。切片位置以最能反映房间布局为宜，基准面选取较为平整的地面，作为切片的参考平面。点云切片图如图8所示。

3.2  绘制平、立、剖面及梁枋现状测绘图

本次绘制建筑测绘图所使用的软件为AutoCAD 2020，基于所获取的古建筑点云数据模型，通过该软件可以得到建筑的结构、做法、平面形状和大小、门窗具体位置和尺寸等。通过配准后的位置信息可以使得该建筑平整、对称，对其进行测量可以确保测量数据的真实性和准确性。绘制出对应建筑物的平面图、立面图、剖面图等，可为古建筑后期的修缮和保护工作提供便利。绘制图形时，先确定定位轴线，基于定位轴线绘制梁、柱等结构构件，再绘制门窗、洞口、屋面等非结构构件，以完整表达建筑的结构和布局。平面现状测绘图如图9所示。

绘制要求：标高及标注局部尺寸，标示门窗的形状、位置及开启方向;标示窗台、雨篷、阳台、台阶、外墙面勒脚等的形状和位置;注明各部分的材料以及外部装饰的做法等。选取建筑内部层高、层数不同、内外空间比较复杂的部位绘制剖面图。轴立面现状测绘图如图10所示。

该建筑屋顶呈两坡硬山顶形式，屋脊位于正中，起坡和缓，平面为矩形。建筑外墙均采用小青瓦铺贴，前厅山墙设观音兜封火墙，正厅山墙设马头墙，均采用小青瓦墙帽，正面为小青瓦叠脊，屋面保存良好。屋顶现状测绘图如图11所示。

绘制要求：对局部尺寸进行标高，如窗、洞口高度、室内外高差、女儿墙高度、总高度;内部尺寸：地坑（沟）深度、隔断、内窗、洞口。1-1剖面现状测绘图如图12所示。

3.3  梁枋现状测绘图绘制

绘制要求：应着重绘制可展现建筑历史和地方特色的构造、装饰、材料，并采用文字标注。梁枋现状测绘图如图13所示。

3.4  针对典型图案绘制

雕刻纹饰是古建筑中不可或缺的一部分，它赋予建筑造型以生动的形象，并融于整体建筑之中。在古建筑群中，最具特色的要数房屋上的一些雕刻图案，这些图案最具象征意义。绘制要求：体现古建筑结构特色和建筑风格，须画出部分典型图案。牛腿现状测绘图如图14所示。

4  建档保护

4.1  建档保护的规范要求

下面介绍建档图纸的绘制要求：

（1）每处古建筑都应该细分到每个村，将每个村依次再划为一个整体，由小及大。所有建筑的文件格式为“具体地址-历史建筑编号-历史建筑名称-成果完成具体时间”，建筑编号和名称应与国家历史建筑名录保持一致。

（2）建筑测绘图纸的绘制应符合国家标准。每处建筑的平面图、立面图、剖面图、大样图等都应该放置在同一个文件夹中，图纸命名和编号应与国家历史建筑名录保持一致。图纸应按顺序编号，并严格按照要求的比例绘制图形。

4.2  建档保护的成果

下面给出了建档成果保护要求：

（1）按照《历史建筑档案表》的统一要求进行文物档案的整理工作，应形成“一栋一册”的建筑保护图则，同一地区建筑要登记入籍，就地保护[7-10]。

（2）制作图则时内容包括测绘报告、测绘照片、测绘图纸。测绘报告中包括目标概况、历史沿革、现状调查、历史建筑概况记录表;测绘照片包括三维激光扫描、相机拍摄、倾斜摄影、牛腿及梁枋细部构造等照片;测绘图纸包括平面、立面、剖面、大样图等现状测绘图，同时图签中应包含建筑名称、项目名称、测绘单位、项目编号、审定、审核、项目负责人、测量人员、绘图人员、校对、图名、图号、日期，以及相关的文字说明[11，12]。

5  结  论

综上所述，本文结合实际案例，在古建筑建档保护中结合当下高速发展的三维激光扫描技术，基于其非接触、高效率、高精度的优势，使三维建模技术完全克服了传统测绘中周期长、成本高、真实性差等缺陷。通过三维激光扫描仪获取大量的点云数据，对点云进行一系列处理后，可快速模拟出建筑的三维模型，从而绘制出二维测绘现状图。这与传统测绘技术相比，极大地提高了工作人员的工作效率和测量精度，并且因其具有非接触的优势，从而避免了对历史建筑的二次损害。

参考文献：

[1] 邢姝凡，王香茗，王艳丽.数字城市建设中的三维建模方法研究 [J].测绘与空间地理信息，2018，41（5）：150-151+155.

[2] 潘九宝，王玮，黄明伟，等.采用倾斜摄影测量和几何造型方法的城市实景三维建模 [J].测绘通报，2020（6）：121-124.

[3] 李扬，王锐，刘平.结合数字化技术的古建筑保护探究——以齐齐哈尔龙沙公园古建筑为例 [J]，安徽建筑.2021，28（2）：3-5+21.

[4] 李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究 [D].西安：长安大学，2012.

[5] 張立伟，刘鹏飞，李冠.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究 [J].北京测绘，2017（S2）：68-72.

[6] 刘伟.地面三维激光扫描工作原理及其在精细地形测绘中的应用 [J].绿色环保建材，2016（9）：102.

[7] 王芹，苏依纹，金颖芸，等.历史文化名城保护背景下苏州古桥可视化云端建档研究 [J].档案与建设，2018（10）：38-41.

[8] 李雪.基于古建筑保护修缮需求的三维激光扫描数据应用研究 [D].北京：北京工业大学，2018.

[9] 刘宏光，王鑫森，高超.三维激光扫描技术在文物建筑建档保护工作中的应用探讨 [J].测绘与空间地理信息，2017，40（6）：127-129.

[10] 张士杰，相炳哲，张源清，等.中国古建筑蕴含的现代设计特征及三维CAD方法研究 [J].图学学报，2013，34（3）：53-57.

[11] 张远翼，张鹰，陈晓娟.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的关键技术研究 [J].建筑学报，2013（S2）：29-33.

[12] 余培永，刘昭华.三维激光扫描支持下的文化遗产建模应用分析 [J].测绘通报，2018（8）：145-149.

作者简介：王顺（1995.07—），男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生在读，研究方向：摄影测量与遥感技术;赵志根（1968.08—），男，汉族，浙江金华人，教授，博士生导师，博士，主要研究方向：煤地质学、煤矿地质、地质灾害评价与防治等方面的教学与研究。