三维激光扫描技术在万寿宫古建筑群测量中的应用

查燕萍，龙北平

（江西省煤田地质局 测绘大队，江西 南昌330001）

1 概述

古建筑测量较为困难，采用传统的测量方式很难满足测量要求，主要表现在以下几个方面：① 古建筑结构复杂，错落有致，部分区域形状不规则，测量难度大；② 传统的测量方式如全站仪、GNSS等，均需要与测量目标接触方可测量，容易对文物造成损坏；③ 传统的测量方式均为“点式”测量，即一次测量只能得到一个点的三维坐标，很难真实准确的反映复杂的古建筑。因此，在古建筑测量中，采用新技术、新方法非常必要。

近年来，三维激光扫描技术在考古、古建筑建模等领域中得到了广泛的应用。如天津大学使用三维激光扫描技术进行古建筑、文物测量，并进行了三维建模〔1〕；西安某机构对秦陵兵马俑二号坑进行扫描，构建三维立体模型，实现了遗址信息的数字化存储〔2〕；刘江涛等使用三维激光扫描获取三星堆遗址的点云数据，并进行三星堆一号坑的三维重建〔3〕。根据万寿宫古建筑的特点，决定采用三维激光扫描技术进行测量。

2 三维激光扫描技术简介

2.1 三维激光扫描原理

采用三维激光扫描进行测量时，扫描仪内部发射器发射的激光脉冲通过两块快速有序旋转的反射片反射，并按一定次序扫过目标区域，通过测量激光从发射到接受的时间计算距离，编码器测量脉冲的角度，从而可以计算出目标点的三维坐标。三维激光扫描的工作原理见图1。

三维激光扫描具有非接触测量、主动测量、数据采样率高、高分辨率、高精度、数字化测量等优点。测量时，可以配合数码相机获取建筑物的纹理数据；也可以与全站仪、GNSS等传统测量方法配合，获取大地坐标系下的三维坐标数据。

图1 三维激光扫描工作原理

2.2 RIEGL VZ－400三维激光扫描仪简介

本项目使用RIEGL VZ－400三维激光扫描仪，仪器精度指标与性能见表1。

表1 RIEGL VZ－400三维激光扫描仪参数指标

3 基于三维激光扫描的古建筑群测量

3.1 工程概况

万寿宫坐落于南昌市区西南隅象湖风景区内，是著名的道教圣地。本次测量绘制出挂有南昌市文物保护建筑牌的古建筑群（16栋）的总平面图，各单体建筑的平面、立面及剖面图，并配有实拍图片。

3.2 控制点布设与测量

首先进行测区踏勘，主要任务是了解测区的基本情况，收集测区的控制点数据，根据三维激光扫描的作业要求，划分扫描作业面。

为了将扫描数据转换到大地坐标系下，需要布设控制点、扫描站点和标靶。布设时，需要充分考虑传统的测量仪器（全站仪、GNSS）的测量要求；同时扫描站点需要选择在点位稳定、地势平坦的地方，到测量目标的距离要适中且需要尽可能扫描较大的范围，与测量目标之间无遮挡；标靶布设在扫描重叠区域，需布设三个或以上标靶，并不能在同一直线上。

采用JXCORS－RTK全站仪等方式按照导线测量的要求进行控制点、扫描站点测量；标靶坐标可以采用全站仪进行测量。

3.3 三维激光扫描

为了将三维激光扫描获取的点云数据转换到大地坐标系下，扫描时常采用两种方法：后视定向法和标靶拟合法。本项目测量时，两种方法结合使用。采用后视定向法扫描，与全站仪测量的过程相同，在已知控制点上架设三维激光扫描仪，对中整平后进行后视定向，然后即可开始扫描工作。采用标靶拟合法扫描时，首先任选一处架设三维扫描仪器，并同时布设标靶三个以上，为保证精度，标靶的位置距离三维扫描仪器约30m左右，避免标靶在同一水平面上或者在一条直线上；然后利用全站仪测量标靶坐标，同时利用三维扫描仪扫描地形点坐标；最后对标靶坐标进行精扫描，获取标靶的精确坐标（小于3mm），由此即可将三维扫描坐标转换为大地坐标。

三维激光扫描时，尽可能避免人员走动，减少异常点的出现。需要设置合适的分辨率，保证数据既不缺失，又不过度冗余，分别设置水平与垂直扫描分辨率，规则区域可以采用低分辨率扫描，结构复杂时采用高分辨率扫描。需要对标靶进行精细扫描，获取高精度的坐标，提高坐标转换的精度。测站扫描完成后需要现场检查扫描数据是否能满足项目要求，并对扫描数据命名和记录，包括测站名称、扫描顺序、扫描时间、扫描分辨率等信息。

3.4 数据处理

数据处理包括点云数据整合、图形绘制和建模等内容。首先根据测站数据和标靶数据进行点云数据配准和转换，将点位数据转换到大地坐标系下。采用仪器自带RiSCAN PRO软件完成点云拼接工作，首选在测站扫描重叠部分选取三个以上的同名标靶进行粗拼接，然后软件自动构面并计算两测站之间的转换矩阵，完成拼接工作。拼接完成后，根据点云数据中标靶的自由坐标和实测的标靶坐标，设置参与计算的控制点和转换精度，软件可以自动匹配坐标，计算转换矩阵，将自由坐标的点云数据转换为大地坐标。

经过点云数据滤波处理、点云数据平滑和压缩等工作，为图形绘制和三维建模提供原始数据。根据点云数据，可以方便地进行平面图、立面图的绘制，并可以进行三维建模，准确反映古建筑的真实状况。

4 三维激光扫描精度检核

4.1 标靶精度检核

选择部分未参与转换计算的标靶检核三维激光扫描的精度，共计检查56点，结果见表2。

表2 标靶平面精度统计

4.2 免棱镜全站仪精度检核

以布设的控制点位起算点，使用免棱镜全站仪对部分关键特征点进行精度检核，结果表明，三维激光扫描的精度较高，以免棱镜全站仪成果作为真值，计算三维激光扫描的精度，平面位置中误差为±4.2cm，高程中误差为±5.3cm，精度较高，可以满足古建筑测量的精度要求。

5 结语

在南昌万寿宫古建筑测量项目中，采用三维激光扫描技术，顺利地完成了点云数据采集任务，并根据点云数据进行了平面图、立面图的绘制和三维建模。三维激光扫描技术的应用，极大的方便了测量工作。目前，三维激光扫描测量技术已经在竣工测量〔4〕、矿山变形监测〔5〕等领域得到了广泛的应用，随着点云数据处理自动化程度的提高，地面三维激光扫描将会得到更加广泛的应用。

〔1〕白成军.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用及相关问题研究〔D〕.天津：天津大学硕士论文，2007.

〔2〕宋德闻，胡广洋.徕卡HDS应用于秦俑二号坑数字化工程.测绘通报〔J〕.2006，（6）：69－70.

〔3〕刘江涛，张爱武.三维数字化技术在三星堆遗址中的应用.首都师范大学学报（自然科学版），2007，28（4）：68－71.

〔4〕胡章杰，薛 梅.基于地面三维激光扫描的三维竣工规划核实技术研究〔J〕.城市勘测，2013，（1）：15－20.

〔5〕陈永剑.地面三维激光扫描系统在露天矿监测中的应用研究〔D〕.太原：太原理工大学硕士论文，2009.