三维激光扫描技术在旧城改造古建筑保护中的应用

陈巍巍 刘锟铭

（自然资源部第一航测遥感院 陕西西安710054）

1 引言

旧城改造和古建筑保护具有重要的历史意义和人文价值，恢复和量测旧城区建筑物的三维模型可以真实有效的还原历史[1]。目前古建筑保护中主要技术手段还是依靠传统的工程测量方式，而传统的工程测量效率低，耗费大量人力物力，对于精细化测量方面存在缺陷，不能够很好的还原历史。随着三维激光扫描技术的发展，该技术成功运用于工程建设的各个领域，研究三维激光扫描技术在旧城改造和古建筑保护中的应用具有十分重要的意义，该技术具有高效、快速、准确、简便的特点。它突破了传统的单点测量方法，采用非接触式在复杂场景和空间对被测物体进行扫描测量，无需反射棱镜直接获得高精度的扫描点云数据，快速恢复真实三维场景。

三维激光扫描技术具有精度高、速度快、分辨率高、非接触、兼容性好等优点[2]，其可以批量扫描点云数据，数据量丰富，可以通过逆向工程实现三维建模，在复杂古建筑保护等方面具有巨大优势。三维激光扫描技术有以下特点：1）可以进行高质量、快捷、高密度的三维数据采集，每秒钟可达到30 多万个点；2）无需接触目标。在扫描仪范围内，无需借助反射棱镜，直接扫描目标体获取表面点的三维坐标信息；3）精度高，点位精度在30m 以内可达0.01mm-3mm；4）具有全数字的特征，信息丰富，扫描数据包含空间信息、灰度信息和真彩色纹理，易于处理、分析、输出、显示。

2 三维激光扫描关键技术

2.1 三维激光扫描原理及流程

三维激光扫描仪由一台高精度的激光测距仪和一台匀速转动的伺服马达转动仪构成[3]。三维激光扫描仪通过发射器发射激光脉冲信号，打到物体表面发生漫反射，一部分脉冲信号反射后被三维激光扫描仪的接受器接收，从而计算出目标物体的距离和角度[4]。同时，三维激光扫描仪内置精密时空控制编码器测量每个激光脉冲的横向和纵向扫描角度观测值，实现目标物体的精确测量[5]。

图1 三维激光扫描坐标系统

三维激光扫描坐标系统是左手坐标系，坐标原点O 是三维激光扫描仪的发射起点，X 轴为三维扫描仪的初始转动轴，Y 轴与X 轴垂直且都在横向扫描面内，Z 轴与横向扫描面垂直。如图1，A 点为目标物的任意一点，OA 为发射原点到目标物任意点的距离，其中横向和纵向扫描角度值分别为β，α，目标物任意点的坐标根据式（1）可得。

三维激光扫描技术应用于旧城改造、古建筑保护中的主要流程如图2，首先在野外布设控制网，利用扫描仪进行数据采集，在室内对数据进行预处理和配准，最后成果输出与应用。

图2 三维激光扫描流程

2.2 三维激光标靶拟合法

三维激光标靶拟合法配合全站仪进行测量可以有效提高三维激光点云的精度[6]，分别用全站仪和三维激光扫描仪测量标靶的坐标，用全站仪获取标靶的坐标将三维激光点云进行坐标拟合改正。以下是现场操作流程：

（1）在测区合适位置架设三维扫描仪，选择三个或三个以上地方布设标靶，为了保证精度，标靶与三维扫描仪应保持在30 米左右，且所有的标靶不能在同一条直线或一水平面上；

（2）设置好标靶后，用全站仪测量标靶的坐标，同时架设三维激光扫描仪扫描周围地物，要保证不能遗漏关键地物；

（3）用三维激光扫描仪对标靶进行精扫描，获取标靶3mm 内的精确坐标。对于复杂的街道，需要布设多个测站，重复步骤1-3，直至采集完测区范围地物，同时要保证测站之间要有足够的重叠区域，便于测站间的数据检核。部分复杂地物的数据信息不能一次测量时，需要从不同角度多次测量同一地物，再拼接成点云数据。

（4）外业采集完后进入内业数据处理，用点云处理软件剔除植被，删除冗余点云，对点云数据加工并转换到绝对坐标系下，最后拼接点云数据。处理好的点云数据可用于BIM 模型构建、建筑物测量等工程应用。

3 实验与分析

3.1 数据获取

选取某市历史文化街区改造项目为实验区，街区内有翘步街、合同巷等9 条传统街巷，较能代表本市的传统民俗和古建筑艺术风格的街区。此街区正好是商业最繁华的步行街交汇处，紧临小商品市场，是人流车辆最密集的商圈，也是商业房产售价最高的区块。街区内有建筑物244 幢，总面积为10 万平方米，其中有16 栋房屋为市历史保护建筑，实验区街区总面积为6.3 公顷。此次文化街区改造将以街区清末民初时风貌为依据，秉承“修旧如故、建新如旧”的建设理念进行规划建设，将采取原状修复外貌的方式，在修缮、恢复街巷里老建筑原貌基础上，对整片老街区进行保护，尽量保持街区现有格局、保留街区青石板路面，特别是保持16 栋历史建筑的原貌，并将其作为历史文化街区的人文景点。

该历史文化街区立面采用三维激光扫描技术进行扫描，技术指标应符合《工程测量规范》GB50026-2007 的要求。施测主要采用奥地利regal 公司的VZ-400 型三维激光扫描仪来获取原始点云数据，该仪器采用全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射30 万点的纤细激光束，有效测程在1 米到400 米之间；采用高精度尼康相机获取图像纹理数据，内置Laser Class1 激光器，扫描距离为600 米，扫描精度为2 毫米，发射频率为每秒300000 点，具体参数见表1。外业采集的点云数据，通过点云去噪、点云拼接、图像拼接以及纹理添加等内业处理，最终形成完整精度符合要求的成果数据。

表1 RIEGL VZ-400 扫描仪技术参数

3.2 成果展示

对街区立面及16 栋古建筑进行三维激光扫测并绘制建筑的总平面图、各单体建筑的平面、立面及剖面图，并拍摄现状照片，以备街区改造的需要，图3 是基于AUTOCAD 平台的古建筑街区立面三维点云数据。

图3 历史文化街区立面点云图

古建筑群原建筑设计方案复测成果主要有古建筑群总平面图、单体建筑平面图（底层、顶层及屋顶平面图）、单体建筑立面图、单体建筑剖面图（至少两个剖面），图4 是单体建筑物立面图和立面照片。

图4 立面图和立面照片

3.3 精度分析

为了验证点云数据的精度，以RTK+全站仪实测建筑物特征点坐标为真值，在测区均匀采集200 个特征点作精度评定，用式（2）、式（3）计算点云特征点的平面位置中误差Mxy和高程中误差Mz。其中，ΔXi、ΔYi、ΔZi分别为特征点真值与三维激光点云坐标的较差，n 为样本数。结果表明，三维激光点云数据平面位置中误差为4.1cm，高程中误差为5.2cm，可以满足旧城改造和古建筑测量的精度要求。

4 结束语

三维激光扫描技术已成为测绘领域的热点，并广泛应用于建设工程领域。本文介绍了一种三维激光扫描技术应用于旧城改造、古建筑保护的方法，利用三维激光扫描技术，对于需要保护的、能够体现当地历史文化特色古建筑的实体和实景进行三维模型重建，成果数据可用于旧城改造、古建筑的辅助修复、模拟还原等。实验证明，三维激光扫描的数据精度高，获取时间快，可节省大量人力物力，为旧城改造、古建筑的修复和保护提供了新的思路。