三维激光扫描在文物建筑测绘中的应用

2015-08-15郇小龙上海市建工设计研究院上海200000

江西建材 2015年17期

■郇小龙 ■上海市建工设计研究院，上海 200000

目前，在测绘领域，相关的技术在不断发展，三维激光扫描作为全新的测量技术得到了广泛的关注，它创新了文物建筑测绘的方法，借助高速激光测量，对物体的三维信息实现了精准、快速与大量的获取，在此基础上，构建了相应的三维模型，此项技术符合文物建筑测绘的要求，促进了文物建筑保护工作的有效开展，为其提供了可靠的技术支持，因此，在文物建筑测绘中应用三维激光扫描技术有着积极的意义。

1 文物建筑测绘的概况

1.1 概念

中国有着悠久的营造活动历史，在建筑物中凝结着古代人民的智慧，文物建筑有着精美的外形与坚固的结构，但受自然与人为因素的影响，部分建筑物未能得到保存。时至今日，保留下来的文物建筑是重要的，它彰显着历史的风貌，体现着古人的智慧，因此，要注重对文物建筑的保护。

文物建筑测绘主要是利用测绘学对文物建筑进行保护与监测，通过测绘，为文物建筑成立了记录档案，此档案是文物建筑维护、保护、评估与教育宣传的重要依据。

文物建筑测绘有着自身的特点，其一，非接触测绘。文物建筑十分珍贵与稀奇，在测绘过程中，要减少对其破坏，因此，应注重无损测绘。其二，高精度。文物建筑有着精美的做工与复杂的结构，同时其纹理具有多样性，为了实现对全部信息的呈现，对测绘精度有着较高的要求。其三，较大的难度。文物建筑测绘的记录难度较大，主要是由于建筑物的花饰较为复杂，建筑物拥有一定的高度与宽度，测绘的工程量相对较大。

1.2 类型

文物建筑测绘主要分为两类，一类为精密测绘，另一类为法式测绘。前者主要是为了实现文物建筑的迁建与维修，它对精度有着较高的要求，在测绘过程中，需要大量的花费，如:人力、物力与时间等;后者主要是为了构建文物建筑的记录档案，它具有一定的简便性，能够对建筑物的整体情况实现全面的记录，其占用的资源相对较少，但此方法缺少准确性，不利于科学记录档案的建立。

1.3 方法

文物建筑测绘属于基础性工作，它为建筑物的研究与记录提供了数据支持，测绘方法要具有一定的科学性、准确性与合理性，在此基础上，文物建筑测绘工作才能够具有高效性与精准性，同时，测绘记录资料才能够拥有完整性与详细性。文物建筑测绘的方法众多，主要的方法有四种。第一种，传统的手测。手测方式借助了简单的工具，如:水平尺与钢尺等，对建筑物的尺寸大小进行了测量，此方法虽然具有便捷性与可操作性，但缺少科学性与准确性。第二种，全站仪测量。此方法作为单点数据测量，其工作量较大，具有一定的精度。第三种，近景摄影测量。此方法对建筑物的大小与形状实现了测量，属于非接触性测量。第四种，三维激光扫描。该方法作为新型的测量技术，为复杂建筑物构建了三维数据模型，它结合了机、光与电等技术，并且整合了传感工艺，它有效利用了高科技手段，使其具有高精度、现代化与先进性等特点［1］。

2 三维激光扫描的概况

2.1 工作原理

三维激光扫描系统的构成主要有扫描仪、控制器与电源供应系统等，具体的组成部分有接收器、激光发射器、时间计算器、同轴相机、电脑与相关软件等。

三维激光扫描的工作原理为:三维激光扫描仪拥有扫描系统、激光测距系统与内部控制、校正系统等，在仪器内，激光脉冲发射体将发射出脉冲信号，再两个发射镜的作用下，实现对被测物体的快速扫描，此后，被测物体的反射将由接收器接收，此时接收器主要是记录激光脉冲的发射及其接收的时间差，同时对被测物体的空间距离也将进行计算。控制模块将对脉冲的水平角与天顶距进行记录，并结合空间极坐标原理，对扫描的激光点在被测物体上的三维坐标进行计算。

2.2 技术路线

对于文物建筑而言，其内部梁架露明，并且被严重的遮挡，在此情况下，不利于文物建筑测绘工作的开展，影响着建筑物平、立与剖面图的绘制。因此，在对扫描数据进行采集前，要对现场进行踏勘，并布设高密度与高精度的控制网，再结合扫描设备的特点及扫描对象的材质、色彩等属性，在此基础上，开展相应的扫描测绘工作［2］。

对点云图进行处理后，需要校核现场，如果发现扫描的遗漏位置，要对其进行补扫，对于扫描死角部分，要选用手工补测的方法。点云图的识别能力相对较差，可以在现场勾绘建筑构件的分块图，以此掌握建筑纹理。

3 三维激光扫描在文物建筑测绘中的应用

3.1 工作的流程

(1)工作计划的制定。工作计划制定的主要依据为文物建筑的环境条件，如果条件需要则要借助相关的辅助设施与工序。同时，要对扫描距离与扫描分辨率进行确定，其依据为扫描精度需求及仪器的工作范围;还要对扫描站数与扫描路线进行确定，其依据为扫描站间的重叠程度与设站的合理性;最后，对于测绘工作的时间安排依据为天气、工作环境与任务量等［3］。(2)数据的采集与处理。此环节分为外业数据采集与内业数据处理，前者主要包括控制点的布设、测量与三维全景扫描。控制点的布设是重要的，它直接关系着后续的扫描工作，影像着扫描的质量。在布设后，要测量平面与高程，为了保证测量的精度，对扫描精度有着较高的要求。在坐标信息获取后，要将三维激光扫描仪架设在控制点上，分别进行粗扫描与细扫描。后者主要包括对非连接项的去除、降噪、采样抽稀，拼接，构建模型与提取信息等。

3.2 存在的误差

关于文物建筑测绘而言，其中存在的测绘误差是由众多因素造成的，主要的误差类型如下:其一，在控制测量方面。控制网的精度直接影响着地理坐标的精度，同时，控制测量的精度受仪器、观测方法与后续平差处理的影响。其二，在扫描仪方面。仪器自身存在的缺陷，在脉冲信号发射与处理等环节均可能出现误差。其三，在数据处理方面。在实际数据处理过程中，对于数据的删除与模型的构建中可能出现误差［4］。

3.3 存在的不足

在实际测绘过程中，存在的不足主要体现在以下几方面:首先，缺少的数据。三维激光扫描中运用的激光脉冲缺少穿透力，对于复杂、重叠的建筑物而言，其采集的信息仅为表面部分，此时遮挡部分的数据存在较为严重的缺失现象。同时，信号在传播、接收过程中，受诸多因素的影响，此时部分信息难以实现记录。为了对此情况实现补救，采用了补洞的手段，但此时的数据是通过填充实现的，缺少真实性与准确性。其次，欠缺的信息。三维激光扫描仪主要是对文物建筑的大小、形状与位置等三维空间信息进行获取，但不能实现对其彩色图案与纹理信息的获取。为了实现对色彩与纹理的获取，借助了相机，但此时的信息缺少完整性与清晰度。再次，缺乏的软件。当前，关于点云数据的处理软件主要为RapidFom，Imageware，此类软件拥有一定的点云处理能力，但主要用于机械制造中，而文物建筑点云数据处理缺少专业的软件支持［5］。最后，受限的推广。三维激光扫描仪主要来自国外，其价格偏高，对于一般的文化保护单位来说难以承担，因此，制约着此测绘方法的推广。