三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪的應(yīng)用

1、三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪的應(yīng)用引言古建筑的藝術(shù)價(jià)值、 文化價(jià)值及歷史價(jià)值較高， 是中國(guó)幾千年來(lái)的文化沉淀和勞動(dòng)人民智慧的結(jié)晶。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 人們對(duì)古文物建筑保護(hù)的重視度日益提升， 在古建筑保護(hù)中， 古建筑測(cè)繪是一項(xiàng)基本工作，具有深遠(yuǎn)的意義。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)采集的手段和方法不斷創(chuàng)新， 三維激光掃描儀產(chǎn)生。作為空間數(shù)據(jù)獲取的有效手段， 它能夠?qū)κ挛锏目陀^事實(shí)進(jìn)行迅速的反映，對(duì)古建筑的測(cè)繪具有重要作用。1 三維激光掃描儀和古建筑測(cè)繪1.1 三維激光掃描儀的測(cè)量原理三維激光掃描儀是新興的測(cè)量技術(shù)， 能夠?qū)Υ蠓秶鷧^(qū)域的信息進(jìn)行高精度、直接、快速以及全天候的

2、采集，它利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)點(diǎn)云集密集的目標(biāo)物表面的紋理信息、 反射率和三維空間坐標(biāo)對(duì)其空間進(jìn)行三維記錄。1.2 古建筑測(cè)繪古建筑測(cè)繪是將測(cè)繪學(xué)直接應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域， 對(duì)建筑遺產(chǎn)進(jìn)行記錄、監(jiān)測(cè)和保護(hù)。 在古建筑保護(hù)中，對(duì)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行完整的測(cè)繪并存檔，為日后的修復(fù)和重建提供參考依據(jù)是最基本的工作任務(wù)。傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪所用到的測(cè)量工具是垂球、直尺和角尺等，最終獲取的數(shù)據(jù)多用圖紙和文字記錄， 對(duì)古建筑的現(xiàn)狀和尺寸表達(dá)不準(zhǔn)確，也容易出現(xiàn)遺漏， 對(duì)后期的工作產(chǎn)生不利影響， 造成資源的浪費(fèi)。2 古建筑測(cè)繪中三維激光掃描儀應(yīng)用的誤區(qū)2.1 對(duì)三維激光掃描儀的精度認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)誤差和錯(cuò)誤不同， 錯(cuò)誤可

3、以避免而誤差是不可避免的。 在多數(shù)情況下，物體的真實(shí)值無(wú)法知道，測(cè)量只是對(duì)某個(gè)量真值的描述，即使多次重復(fù)測(cè)量的平均值也只是接近真值。 而精度和誤差又是兩個(gè)不同的概念，精度是在測(cè)量中誤差分布的程度，即為概率；誤差是測(cè)量值和真實(shí)值的差異。測(cè)量的精度高僅說(shuō)明測(cè)量中誤差分布的大小較為集中，并不是測(cè)量的誤差值。 在古建筑測(cè)繪中，數(shù)據(jù)的獲取和二維線劃圖的精度，不僅受掃描儀精度的影響，點(diǎn)捕捉的誤差、點(diǎn)云的厚度的因素也會(huì)對(duì)其造成影響。 因此，在應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行古建筑測(cè)繪時(shí)，不能過(guò)分相信儀器的精度， 應(yīng)當(dāng)對(duì)誤差產(chǎn)生的來(lái)源進(jìn)行細(xì)致的分析，從而確定結(jié)果的實(shí)際精度。2.2 在測(cè)繪中不分對(duì)象追求高精度測(cè)繪的目的是

4、對(duì)事物的本質(zhì)規(guī)律通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行揭示。 測(cè)繪的數(shù)據(jù)雜亂，隱藏著事物的內(nèi)部規(guī)律。 對(duì)繁亂的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理后才能對(duì)其中隱藏的信息和規(guī)律進(jìn)行解讀。 揭示事物的內(nèi)部規(guī)律是測(cè)量數(shù)據(jù)的原則，而過(guò)高的測(cè)量精度卻掩蓋了規(guī)律性， 反而對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的處理造成不利影響，增加了數(shù)據(jù)處理的難度和復(fù)雜性； 測(cè)量的精度過(guò)低又無(wú)法反映事物內(nèi)部的規(guī)律。 在平面圖的繪制中， 一般要求測(cè)繪的精度達(dá)到 5mm 即可，精度過(guò)低無(wú)法反映對(duì)象的本來(lái)面目，精度過(guò)高則是對(duì)資源的浪費(fèi)。因此，在進(jìn)行古建筑測(cè)繪時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其內(nèi)部的規(guī)律進(jìn)行分析，從而確定測(cè)量的精度。2.3 儀器代替手工測(cè)繪三維激光掃描儀在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用，極大的提高了測(cè)繪的精度，特別是對(duì)

5、于大尺寸的建筑。 而對(duì)于屋檐、門(mén)窗等細(xì)小構(gòu)建的測(cè)量，由于掃描的分辨率和掃描精度的限制，利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)繪無(wú)法達(dá)到精度要求；同時(shí)， 利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)繪，只能對(duì)有效距離內(nèi)能夠直觀感受到的物體進(jìn)行掃描，對(duì)于不易看見(jiàn)的物體采用掃描儀進(jìn)行測(cè)繪，則會(huì)大大增加測(cè)繪的工作量；而且，相對(duì)誤差用于衡量長(zhǎng)度測(cè)量的誤差，在細(xì)小構(gòu)建的測(cè)繪中，相對(duì)于儀器測(cè)繪，手工測(cè)繪的精度更高。因此，在古建筑的測(cè)繪中，儀器測(cè)繪是對(duì)手工測(cè)繪的有效補(bǔ)充，而不能取代手工測(cè)繪。3 古建筑測(cè)繪中三維激光掃描儀的應(yīng)用測(cè)繪實(shí)例：本次測(cè)繪以某文物考古研究所對(duì)福建武夷山市某祠堂利用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)繪為例（如圖 1）。該儀器掃描速度可達(dá)

6、 5 萬(wàn)點(diǎn) /s，理論上最大測(cè)繪值為 300m，掃描精度可達(dá) 2mm，內(nèi)置攝像機(jī)像素為 500 萬(wàn)，可對(duì)測(cè)繪目標(biāo)的影像進(jìn)行同步記錄， 為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理提供參考依據(jù)。3.1 對(duì)古建筑的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集由于受到掃描盲區(qū)、 物體遮擋等因素的影響， 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)采取多方位、多測(cè)站的方式進(jìn)行掃描。首先，對(duì)測(cè)量標(biāo)靶和測(cè)站的位置和數(shù)量進(jìn)行確定。測(cè)量標(biāo)靶的位置依據(jù)“服務(wù)于下一個(gè)測(cè)站”的原則進(jìn)行確定，盡量達(dá)到“多站兼顧”的效果，盡可能讓多個(gè)測(cè)站能夠?qū)?biāo)靶的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 從而降低后期數(shù)據(jù)處理的誤差； 測(cè)站的位置和數(shù)量則根據(jù)測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)需求、復(fù)雜度、外觀及大小進(jìn)行確定。本次測(cè)量中測(cè)量標(biāo)靶和測(cè)站各設(shè)置 8 個(gè)，

7、在設(shè)好測(cè)站和測(cè)量標(biāo)靶后，根據(jù)測(cè)量對(duì)象的采光情況和特征進(jìn)行掃描儀曝光度和精度的確定， 讓后進(jìn)行建筑的數(shù)據(jù)采集。3.2 對(duì)獲取的測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理由于受到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體間遮蔽和現(xiàn)場(chǎng)視角等因素的限制，在統(tǒng)一測(cè)站內(nèi)三維激光掃描儀無(wú)法獲得建筑全面的空間數(shù)據(jù)信息，因此，需要對(duì)建筑物進(jìn)行多視角掃描， 并將得到的各個(gè)視角的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，然后轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中，此過(guò)程為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。從而滿足（1）中目標(biāo)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換矩陣R、T 和平移矢量T。f（R，T）minR×piTqi2（1）其中，需要變換的點(diǎn)云用pi 和 qi 表示，從（ 1）中可以看出，其核心為求得坐標(biāo)的變換參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)矩陣 R 和平移矢量

8、 T。受到測(cè)量對(duì)象被遮擋、行人和車(chē)輛等的影響，在利用三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量不規(guī)則、不清晰的點(diǎn)云，稱(chēng)之為噪點(diǎn)。后期 CAD 繪制圖形以及計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器和系統(tǒng)資源都會(huì)受到噪點(diǎn)的影響，因此，需要對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行處理。3.3 利用 CAD生成測(cè)繪圖紙古建筑測(cè)繪的目的是進(jìn)行古建筑真實(shí)、客觀的反映，得到反映古建筑遇原貌的圖紙， 并進(jìn)行古建筑數(shù)據(jù)的存檔， 因此在測(cè)繪時(shí)應(yīng)當(dāng)保障采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)度和完整度， 為后期的重建和修復(fù)提供可靠的參考依據(jù)。為了使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型得到優(yōu)化，應(yīng)對(duì)拼接后的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)在 Cyclone 軟件中進(jìn)行處理，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型通過(guò)Cloudworx插件導(dǎo)入 CAD中進(jìn)行切片處理，最后利用 CAD根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和切片的特征進(jìn)行繪圖， 得到祠堂的帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的立面圖， 隱藏點(diǎn)云后得到最終的立面圖。3.4 此次測(cè)繪的思考在此次測(cè)繪中， 采用了三維激光掃描儀，與傳統(tǒng)的測(cè)繪相比，掃描儀從工作效率、測(cè)量的完整性以及精準(zhǔn)度等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在本次測(cè)繪中，用“球形標(biāo)靶”代替了傳統(tǒng)的“黑白標(biāo)靶”，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)精度相比之下有了很大的提高，誤差降低。同時(shí)，為了提升計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的能力，采取了“分組處理、整合拼接”的方式，將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，分別進(jìn)行拼接和去噪，然后利用 CAD 進(jìn)行合并。4 結(jié)語(yǔ)綜上所述，作物古建筑測(cè)繪中的新型技術(shù)手段，三維激光