三维激光扫描和SU技术在古建筑测绘中的应用

张晨颐 王涛 杨左翠 杨晓军

摘要：三维激光扫描技术是一种全新的古建筑测绘手段，本文以玉溪市老城区改造为契机，通过地面三维激光扫描仪采集文星阁点云数据，可对古建筑进行精密测绘，利用SU软件创建文星阁三维实景模型，绘制二维平面图、立面图等，满足古建筑数字化存档需求。

Abstract： Three-dimensional laser scanning technology is a brand-new means of surveying and mapping ancient buildings. Taking the transformation of Yuxi old city as an opportunity， this paper collects point cloud data of Wenxing Pavilion through three-dimensional laser scanner on the ground， which can make precise surveying and mapping of ancient buildings， create three-dimensional scene model of Wenxing Pavilion by using SU software， draw two-dimensional plan and elevation map， etc. to meet the needs of digital archiving of ancient buildings.

关键词：三维激光扫描;SU;点云数据;三维建模

Key words： 3D laser scanning;SU;point cloud data;3D modeling

中图分类号：TP391.9                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0241-03

0  引言

古建筑本身结构复杂多样，如古建筑中的铭文、雕刻、文字、彩绘等，传统的测绘方法无法获取详细的数据，同时传统测绘在测量的过程中避免不了要接触到古建筑，这就有可能对古建筑造成二次的破坏[1]。除此之外，传统测绘人员需求量大、测绘工作量大、数据繁杂、单点测量的方式难以体现出建筑物的整体性。三维激光扫描技术采用的是非接触的测量方式，具有快速、精确、全方位、不但能够弥补细部数据获取难度大的缺点，还可以实现三维建模，改变了仅靠表面特征及立体想象的工作思路，为古建筑的研究提供了新的视野[2-3]。

1  地面三維激光点云数据采集

1.1 点云数据采集

本文采用的是STONEX X500Plus三维激光扫描仪，根据测站需要设置靶纸，测站间至少满足3个公共靶纸，可保证将每个测站的点云数据配准到统一坐标系中。本次扫描分八个测站，分别布设在建筑物的四个对角，每个正面各一个测站，每个测站的扫描角度范围大致为40°-60°，测站与建筑物间距5m，相邻测站间保持30%的扫描重叠度，具体测站布置如图1所示[5]。

1.2 点云拼接

将扫描的8个测站的点云数据导入到仪器自带点云处理软件中，通过相邻测站间的公共靶纸及特征点对相邻测站的点云进行拼接[6]。整体点云拼接效果图如图2所示。

本文研究以WXG1为基准站，作为全局参考，拼接对的拼接质量如表1所示。

1.3 点云去燥

利用点云数据处理软件的去燥功能，删除多余的点云，如飘移点、孤立点、冗余点等[7]。去燥后的古建筑外部点云如图3所示。

2  古建筑特征线的提取

利用Autodesk Recap将预处理好的点云转换为RCS格式文件，利用AutoCAD点云插入工具将点云导入CAD中。在CAD中通过在不同的视角、不同的高度进行剖切，得到古建筑物的各个构件（如：墙体、门窗、台基、主体等）的平面位置。在绘制平面图与立面图时，根据不同的局部要求，对点云数据缺失的局部位置进行单独剖切，进行曲面拟合得到最终的平、立面图[8-9]。如图4、图5所示。

3  古建筑三维建模

传统的古建筑中屋顶的形态是最特别的，屋顶的形态有出檐、屋面、檐口、翘起的翼角、突出的脊式、丰富的瓦饰方面等。本文是采用SU软件，将CAD绘制的二维线划图导入之后，制作三维模型。在分析古建筑的结构和特点的基础上，本文采用了分层建模的思路。将建筑物以楼层为单位分成三大部分进行建模，部分构件进行单独建模，如：门窗，室外台阶，屋顶等，最后将其拼接到建筑物上。部分建模完成后的构件如图6所示[10]。

本文对古建筑的各个构件进行单独建模，并创建组件，对组件进行命名。那些不规则的局部构件，通过单独提取出相应的点云，在Geomagic Studio软件中再进行不规则三角网建模，形成模型后将其导入到SU中，确定古建筑各个构件的具体位置，以AutoCAD二维平面图为构件组合的参考点与参考线，将各组件组合成一个独立、完整的三维立体模型。如图7所示。

为了使古建筑模型更加具有真实感，贴合实际，表现出各个细节、图案和色彩，起到更好的保存和展示作用，需要给三维模型表面赋予纹理，以反映出古建筑的现状。 在古建筑三维模型几何框架下，其三维模型的纹理数据主要来源于数码相机拍摄的建筑物照片，本文通过数码相机采集古建筑的各个方位高清照片，在SU中进行古建筑纹理贴图，如图8所示。