基于多种三维激光点云获取技术的历史建筑测绘研究

钱正伟，孙雪梅，杨留方

(常州市测绘院，江苏 常州 213003)

1 引 言

历史建筑是城市历史文化发展的生动载体，是城市历史文化遗产保护工作的重要组成部分，对历史建筑进行精细测绘、建立健全历史建筑档案是当前历史建筑文化遗产保护的重要内容。不同于一般建筑测绘，历史建筑包含梁、檁、枋、板、椽、斗拱、屋脊等复杂结构，传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图可以表达建筑的关键部位和整体结构，测绘作业工作量随着历史建筑细部结构表达的细化而大幅增加，同时由于技术手段的局限，难以对历史建筑进行快速测绘，无法对建筑立体空间进行清晰的表达，传统测绘作业通常需要近距离接触历史检出，容易造成历史建筑的二次损坏[1]。三维激光扫描技术是一种非接触主动式快速获取物体表面三维密集点云的技术，可以快速重构建筑的全方位立体空间，快速建立物体三维模型、真实反映物体三维空间分布，完整描述古建筑的细部结构，为古建筑测绘与保护提供了全新的思路[2]。本文从三维激光扫描点云获取技术特点出发，介绍历史建筑测绘作业流程，分析作业中的重难点，并以常州市历史建筑普查为例，介绍三维激光扫描技术的应用情况。

2 三维激光扫描技术特点

三维激光扫描仪相当于一个高速测量的全站仪，通过自动控制技术，对被测目标按照事先设置的分辨率进行连续的数据采集和处理，获取物体表面三维坐标和反射属性，形成沿被扫描物体空间分布的三维点云，表达和记录被测物体尺寸及形状。利用三维激光扫描技术进行历史建筑测绘有如下优势[3]：

(1)非接触式，无须接触目标即可快速确定目标体的三维信息，避免了传统测绘方法可能对古建筑造成的损害；

(2)数据采集的高密度性，按设定的采样间隔对物体进行扫描，可以获取包括历史建筑细部结构在内的全方位信息，大幅降低复杂历史建筑测绘工作量；

(3)穿透性，三维激光扫描仪可以穿透如水、玻璃、稀疏植被等物质进行扫描，可一定程度上解决历史建筑遮挡问题；

(4)主动性，三维激光扫描仪主动发射光源，扫描不受时间和空间的限制，对光亮和温度均无要求，适用于古建筑室内、室外不同环境全天候扫描测绘；

(5)全数字化，三维激光扫描获取到的点云包含采集点的三维坐标、反射强度、颜色属性等信息，可以作为实景三维建模的基础数据，用于历史建筑三维可视化。

3 基于三维激光扫描技术的历史建筑测绘流程

历史建筑测绘一般按照“踏勘拍照—勾绘草图—地形测绘—建筑测绘—测稿整理校核—机绘成图”的流程开展工作，各类建筑图一般按照“平面图—立面图—剖面图—大样图”的先后顺序测绘，从整体到局部，先控制后细节，先木构后瓦作。基于三维激光扫描技术的古建筑测绘整体分为数据采集、点云融合处理及建筑单体图绘制三大部分。

3.1 点云与影像数据的采集

利用三维激光扫描仪进行古建筑测绘时遵循“从整体到局部，先控制后细部”的测量基本原则，确定建筑物控制点、线位置，测量控制性尺寸，统一整体测量工作。建筑群及建筑单体外立面采用架站式三维激光扫描仪进行整体控制扫描，通常针对不同的建构筑物，规划测量路线，一般从室外到室内再到室外、从楼下至楼上通过标靶拼接实现建构筑物的三维实景全扫描。对于空间狭小或楼上不便架设扫描仪的部位，为保留历史建筑详细结构，通过采用轻便、小巧的手持扫描仪进行局部扫描，并通过标靶或公共点进行与整体点云的拼接。对于细部构造复杂的门窗、墙面、浮雕测绘，采用近景摄影测量方法补充测量，通过架设梯子等方式对待测部位进行正拍对象，并量取被摄物体的尺寸或特征点的坐标，并进行相片纠正。而对屋顶等激光扫描仪无法扫描的区域，可以利用无人机航飞的形式进行数据采集补充。

3.2 点云数据的融合与处理

现场获取的三维点云数据是测站式的、离散的多种格式与类型的数据，因此需要对外业获取的点云数据进行融合处理，主要包括：信息检查、点云的拼接、点云降噪及抽稀、重生成坐标系、融合处理等：

(1)信息检查：将外业获取的三维坐标点按格式导入点云处理软件中，对每类数据进行信息查询，包括点云信息、标靶名称与位置等信息，如果有信息错误，进行人工属性更改，确定无误后进行点云拼接工作；

(2)点云的拼接：按照标靶进行点云拼接工作，将核实后的点云在新数据库中按标靶进行拼接工作。若出现拼接失败或误差较大，则根据错误提示对点云信息进行检查更改，将拼接完成后的整体点云模型进行检查完整性和准确性[4，5]。

(3)点云降噪及抽稀：三维激光点云的数据量大，现场条件复杂，需要对点云模型的降噪和抽稀工作，隐藏噪点数据，保留可用点云数据[6]。

(4)重构坐标系数据融合：由于通过多种方法和不同设备采集的点云坐标系原因，拼接完成后的点云可能是多方向的点云，对坐标系不同点云模型进行坐标系重建工作。实际操作时，可采用人工交互的方法对点云进行切片，在切片上进行坐标系重构工作，完成坐标系重构后即可生成历史建筑三维点云专题图。

3.3 建筑单体图绘制

处理后的点云数据可通过Cloud Work for CAD软件导入CAD平台，进行建筑单体图绘制。绘制时可在相应立面视图下利用切片工具对点云进行切片处理，在切片点云上进行描绘，形成历史建筑平面、立面、剖面图样。大样图绘制时将点云缩放至局部进行切片、重新加载点云，即可放大至细部构件(如门窗雕花、垂脊、吻兽等细部大样)，按平立剖描绘工作样式进行大样图的描绘工作。描绘结果在专业绘图软件的辅助下可进行建筑平面图、立面图、大样详图的绘制工作。由于切片点云描绘成果不含图件属性以及尺寸不符合数据要求等原因，需进行平立剖的二次加工、文字信息标注及属性附加等工作。

4 常州市历史建筑测绘

4.1 常州市历史建筑特点

常州市于2015年～2017年间，对全市历史建筑进行测绘，建筑群整体控制扫描采用Leica P40架站式扫描仪、建筑单体精细扫描采用Leica RTC360架站式扫描仪、木雕、彩绘、附属物增强扫描采用Geo SLAM手持扫描仪、遮挡区域补充近景摄影测量，建筑群无法扫描到的屋顶位置，则配合无人机航飞获取。

根据建筑结构的复杂性，因地制宜选择合适的测量方法，近代民居、厂房等历史建筑结构相对简单，可采用以三维激光扫描仪、全站仪测绘为主，测距、测高、拍照等辅助技术完成建筑图测绘；复杂建筑及重点保护建筑宜采用三维激光扫描和近景摄影为主的测绘方法。

本次普查的历史建筑既包括结构相对简单的民居，又包括天宁寺、青果巷等复杂历史建筑群。天宁寺等复杂历史建筑有独特的屋顶、屋身和台基，细部结构复杂，对测绘方式和测绘步骤提出了一定要求；部分历史建筑由于后期改、翻建严重，历史建筑原有风貌和格局有了较大改动，如大钱村民宅，原是一座三进三开的宅院式历史建筑，由于人为原因，原三进三开间现被后期围墙分割为九宫格样式，室内、外遮挡也更为严重，同时由于部分历史建筑住人的缘故，室内堆积物较多，造成大量冗余点云，影响了历史建筑三维点云模型的精度，进而影响历史建筑绘制的准确度。

4.2 常州市历史建筑测绘技术路线

(1)“蛇形扫描线路”历史建筑全覆盖扫描

为了获取历史建筑的全景三维点云风貌，不降低测站间扫描点云拼接精度，常州市历史建筑普查中采取了蛇形扫描线路进行扫描，即从一侧室外通过支导线经由室内至室外、再经另一隔间室内到室外控制点方法获取全景三维点云数据，并在转折点、重要拼接站点进行多标靶精度控制测量。

(2)多种点云获取方式相结合，解决测站间无法实现点云整体化问题

复杂历史建筑局部区域部分区域无法采用Leica P40地面三维激光扫描仪进行全景扫描，扫描测站间也无法利用标靶进行拼接，造成点云整体化后部分点云缺失，呈现点云模型部分区域空白化。为了解决这一问题，采用了Leica P40地面三维激光扫描仪与Leica BLK60三维激光扫描仪相结合。利用轻便型扫描仪BLK60进行点云补充扫描，将获取的点云在Cyclone中利用同名点，通过人机交互方法进行点云二次拼接，实现三维点云的整体化。

(3)遮挡区域点云降噪抽稀处理

针对本次普查中的室内外堆积物造成的冗余点云问题，由于冗余点云与历史建筑点云混合在一起，无法进行人工筛选剔除，对于此类冗余点云，主要采取了点云分层处理，对测站点云进行分层，隐藏非目标区域图层，利用Cyclone提供的Box Fence功能对点云进行局部选择，将不同区域或不同测站的点云拆离至不同的点云图层，通过不同的视角将冗余点云数据拆离，从而实现了点云的快速降噪处理。处理后的点云三维模型如图1所示。

图1 处理后的点云三维模型

(4)Cloud Work实现点云的快捷应用

通过Cloud Work for CAD模块对处理后的点云进行切片处理，将三维立体点云数据直接导入至CAD，快速切片，通过隐藏切片外的点云数据，切换不同的视图，将三维立体点云数据转为二维平面数据，从而快速生成二维线画图，即所需的建筑平立剖面(图2)。通过Cloud Work for 3DMax模块对处理后的点云进行三维建模，将三维立体点云数据直接导入至3ds Max，进行快速建模，将三维点云模型转换为三维立体模型[7]。

图2 青果巷历史建筑立面图

4.3 精度检核与分析

为检核三维激光扫描测绘成果精度，随机选取历史建筑测绘成果进行质量检查。通过对比全站仪测量数据，三维激光点云数据提取建筑物特征点、线中误差在 2 cm左右，满足建筑物立面测绘要求；采用测距仪实地测量历史建筑物的长度、宽度边长数据，与成果图对应的边长较差比较，边长较差最大 7 mm；采用四等水准测量样本历史建筑物的地坪高，检测高程与成果高程做比较，较差最大 5 mm，满足古建筑测绘建筑丈量 2.5 cm精度、地坪高 3 cm的精度要求，满足历史建筑变形监测精度要求。

5 结 语

本文从三维激光扫描技术特点及古建筑测绘要求出发，介绍利用激光三维扫描技术进行古建筑测绘的作业流程，并以常州市历史建筑普查为例，介绍三维激光扫描技术应用的重难点。常州古建筑存在历史民居及复杂历史建筑并存的情况，细部结构复杂、遮挡及冗余点云较多，给三维激光扫描及点云处理带来了一定难度。普查中充分发挥多种扫描仪同时作业的优势，通过蛇形扫描路线实现建筑内外部全覆盖，解决测站间点云空白无法整体化问题，通过点云分层降噪抽稀可以提高冗余点云处理效率。通过多种方法和不同设备采集的点云进行技术融合。实际作业结果特征点、线、古建筑边长、地坪高等要素精度检核均在误差范围内，符合历史建筑测绘要求。而利用激光点云成果可进行历史建筑快速三维建模，点云信息中包含的结构、材质、颜色等信息也为后续历史建筑修缮和保护提供了基础数据[8]。