三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用

王苑楠，井发明，费佳宁

（1. 宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042）

三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用

王苑楠1，井发明1，费佳宁1

（1. 宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042）

针对传统历史建筑测绘方法的不足，研究采用三维激光扫描技术快速获取历史建筑高精度、高密度的点云数据，在此基础上制作出准确、完整的现状图纸，并进行三维仿真精细建模。试验证明，三维激光扫描技术能够很好地满足历史建筑测绘的要求，为历史建筑测绘提供了高效全新的技术手段。

三维激光扫描；点云；历史建筑测绘

历史建筑测绘需要测绘其形状、大小和空间位置，以及相应的平面图、立面图和剖面图等[1,2]。传统的手工测绘方法精度低，容易损坏建筑物。近景摄影测量方法数据获取方法不够灵活，且需要复杂的处理才能够得到成果。三维激光扫描技术通过高速激光测距，瞬时测得空间三维坐标值，获取空间点云数据，更真实地还原被测对象的原形原貌，为历史建筑的测绘工作提供了新途径[3]。本文对三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用进行研究，证明其能够很好地满足历史建筑的测绘要求。

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描仪通过发射激光束到旋转式镜头中心，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪。通过测量激光的位移数据反映出激光与物体之间的距离，用编码器测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，以获得每一个点的高精度三维坐标值[4]，如图1所示。用三维激光扫描仪扫描目标体，可获得大量的点数据。再使用高清数码相机拍摄和后期配准，每个点可以包含X、Y、Z、R、G、B等6位信息，因此能够快速获取目标详尽、高精度的三维立体模型和纹理数据。

图1 三维激光扫描工作原理

三维激光扫描采用非接触测量方式，能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云数据。将所测量的对象按1︰1实景复制三维成型，反映出所有的结构信息，由传统的手工测量转变为室内计算机对点云数据的高精度测量，并在此基础上制作出建筑准确、完整的现状图纸，其现状点云数据库可作为电子数据永久存档。三维激光扫描避免了人工接触对象造成的建筑损坏、测量精度不高、测绘人员人身安全等不利因素；且在解决一些疑难问题时具有极大优势，如对于历史建筑中的各类曲线形式、雕刻、文字、彩画及毁损、残缺等状况，在点云中可以方便地勾画出来，迅速测量所有需要的尺寸。

2 三维激光扫描技术的应用

采用地面三维激光扫描仪对宁波市某历史街区的历史建筑进行扫描，获取建筑内外部的点云数据，然后对点云进行配准和拼接处理，获取建筑完整的点云数据，在此基础上绘制建筑平面图、立面图和剖面图，并进行三维仿真建模，如图2所示。

图2 三维激光扫描的应用流程

2.1 外业数据采集

1）作业方案制定：首先对现场进行踏勘，确定扫描作业方案，在建筑内外部合理布设测站点。

2）激光点云的定位定向：激光扫描需要提供点云后期定位定向参数，因此需测定测站点和后视点的三维坐标。

3）点云获取：在各测站点上架设激光扫描仪，后视点上架设靶标球，利用地面三维激光扫描仪对现场进行扫描，获取建筑外部和内部的点云信息。

4）影像获取：本项目采用的激光扫描仪为RIEGL VZ-400，能够在扫描点云的同时获取物体表面影像。除此之外，需补充对建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照，对重要的保护建筑进行录像，直接作为数据存档。

2.2 点云数据处理

外业扫描获取的点云数据导出后，除常规的点云预处理之外，主要进行点云配准和拼接。利用标定参数实现点云和影像之间的映射，对点云和对应的影像进行配准，从而实现对点云的赋色，得到建筑表面的真彩色点云成果。

外业扫描获取单站的点云，通过控制点定位和靶标球定向的方式进行拼接，将各站点云归至同一坐标系下，合为一个测区的整体点云成果。如图3所示，建筑的彩色点云已经能够立体展示其结构和纹理，快速实现了三维成型，点云数据库则作为电子数据进行数字化存档。

图3 建筑整体点云成果

2.3 建筑图绘制

扫描所得的点云数据不仅外形与实物一样，其包含的几何信息也与实物完全一致。采用Pointools for CAD导入点云数据，通过提取建筑结构特征和量测距离，按合适比例绘制专业的建筑平面图、立面图和剖面图。平面图要求标注墙中轴线、墙体布置及宽度、门窗定位、楼梯、庭院外廊立柱、阳台、室外台阶；立面图标注门窗定位及高度、檐口和屋脊标高、4个方位的立面，绘制单线图；剖面图标注屋架搁置方向，地面、室外、檐口、屋脊、屋架下弦标高；发现墙体较大裂缝和其他较严重的毁损，附加简单注明。

图4、图5、图6为绘制好的平、立、剖面图，这种出图形式是大多数后续改建设计应用中所需的主要成果形式，它真实完整地反映了建筑物保存现状，清晰准确地表现了建筑物的结构，且基于点云绘制的建筑图尺寸更加准确，对一些曲线结构形式也能够更加方便准确地测绘。另外如图7所示，也可以直接对赋色的点云进行标注出图，在有些应用方面能够更加直观地反映建筑情况。

图4 建筑立面图

图5 建筑平面图

图6 建筑剖面图

图7 点云赋色标注出图

2.4 三维仿真建模

根据点云数据对建筑进行三维仿真建模，利用软件提供的绘图工具绘制建筑表面轮廓线，分析和制作建筑的主体几何结构，从而搭建建筑几何模型（图8），已绘制完成的建筑平、立、剖面图也可直接用于三维仿真建模。后续将几何模型导入3dsMax等专业建模软件中对模型进一步细化和完善，并赋予纹理贴图，制作建筑精细模型（图9），不但作为数字化存档，并能够结合GIS实现虚拟现实浏览与展示。

图8 基于点云绘制的立体模型

图9 建筑精细三维模型

3 结 语

三维激光扫描技术在获取三维数据方面有着无可比拟的优越性，在此基础上进行三维仿真建模，绘制其平立剖现状图纸，实现历史建筑的数字化存档，为历史建筑的保护、修复和改造等工作提供了详实的资料。后续还可以通过将建筑的三维扫描模型与设计BIM模型比对，能够快速发现改造前后的不同，从而在对旧建筑保护的基础上修正BIM模型，完成最合理的改造设计。

[1] 刘宇． 历史建筑的保护与再利用[J]． 科技信息,2011(35):195-196

[2] 王其亨，吴葱，白成军． 古建筑测绘[M]． 北京：中国建筑工业出版社，2006

[3] Mody F K, Hale A H． Borehole Stability Model to Couple the Mechanics and Chemistry of Drilling-fluid/Shale Interactions [J]．J Petrol Tech， 1993：1 093-1 101

[4] 周立，李明，毛晨佳，等． 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J]． 上海建设科技，2011(4)：47-48

[5] 余明，丁辰，过静珺． 激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J]． 测绘科学，2004，29(5)：69-70

[6] 丁宁，王倩，陈明九． 基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J]． 山东建筑大学学报，2010，25(3)：275-276

P234

B

1672-4623（2014）05-0116-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.042

王苑楠，硕士，工程师，研究方向为摄影测量、激光扫描和三维仿真技术。

2013-11-18。