三维激光扫描技术在马胖鼓楼建模中的应用

黄彬

（柳州城市职业学院）

1 引言

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。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。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。

2 工作原理

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。三维激光扫描技术通过内部的激光脉冲发射器向目标物发出激光脉冲，通过反光镜旋转，发出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体返回的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被测物体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块可测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间坐标或三维模型。

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能够完整并高精度地重建扫描实物数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使后期处理的数据完全真实可靠。

3 马胖鼓楼

马胖鼓楼位于广西三江侗族自治县八江镇马胖村，距县城26km。1963年2月被列为广西壮族自治区重点文物保护单位，马胖鼓楼是广西唯一被列为全国重点文物保护单位的鼓楼，也是全国仅有的三座“国宝”侗族鼓楼之一。根据侗族古歌的记载：侗族祖先每迁到一地，必先建鼓楼，后建村寨。另外还有一条不成文的规矩：各家各户的楼房都不能高过鼓楼。因为，鼓楼是侗族集体权威的象征，是他们心目中尊严的标志性建筑。

马胖鼓楼原建于清代，其外形显得格外敦厚、雄浑、稳重，楼内的四根大木柱，粗可两人合抱。楼内设栏杆、坐凳、卧台，中央为火塘。大厅的板壁上，绘有侗乡风光的精美画图[2]。

4 点云数据采集

本次采用的三维激光扫描仪为FARO FocusS 350，其参数扫描距离：350m；激光发射频率：967000点/s；数据采集分为室内、室外两部分进行，为了使室内和室外点云数据衔接，分别在门口外和室内各摆设一个测站，使两个测站点云数据有30%的重叠率。

4.1 现场踏勘

根据马胖鼓楼内部和外部的实际情况，确定出合适的仪器架设位置，由于鼓楼内部有4根柱子支撑，故在布设仪器时要考虑柱子的各个面都能扫描到，根据鼓楼内部的柱子实际情况确定仪器的准确位置，并根据场地条件创建适当数量的场地。

4.2 控制点布设

地面三维激光扫描仪在扫描时使用设备定义的坐标系，为了在后期将独立坐标点云数据完整地镶嵌结果转化为统一的坐标系，需要在采集点云数据之前，先在鼓楼外围和内部布设和测量一个高密度、高精度的控制网，网格布局需要多个策略：控制网中各相邻控制点之间要通视，即要求一个控制点至少与两个控制点通视，控制网的布局必须适当，以便扫描仪能够完全捕获鼓楼数据。控制点与测量的鼓楼之间的距离应至少为30m，以提高精度。

4.3 标靶布设

本次任务带的标靶球有8个，布设这些标靶球时要围绕在仪器周围，使仪器能同时扫描到这些标靶，当本测站扫描完成后，搬动仪器继续下一站扫描，后置的标靶球往前移动，由于单站搜索范围有限，一个完整的项目通常需要多个中间站进行审阅。每个站的扫描数据都有一个独立的坐标系，在拼接多站数据时需要转换成一个坐标系。在坐标转换过程中，通过测量公共点来计算转换参数。为了保证转换精度，一般在公共点使用特殊的球形（形状）目标和平面目标。目标配置应符合以下准则：相邻测站之间有两个以上的共用标靶。标靶不能与测量站位于同一条线上。

4.4 点云数据采集

目前国内外生产的三维激光扫描仪的品牌和型号各不相同，性能和精度各不相同。根据本次任务技术要求，由于要扫描出精细的柱子榫卯相连部位，故选用三维激光扫描仪工作站FARO FocusS 350地面式三维激光扫描仪，选择点云数据采集方法。扫描步骤分为仪器放置、仪器参数设置、仪器调平、扫描开始、切换扫描等。外业数据采集持续了1天，室内和室外共设了30个站，产生了12亿个三维点云，包括鼓楼周边的各个领域。

5 内业处理

点云数据的后处理使用与硬件配套的点云数据处理软件SCENE7.0，利用Autodesk ReCap软件浏览鼓楼结构，Autodesk绘制鼓楼的构件。点云数据的整个后处理过程包括点云拼接、去噪、合并、切割、平面绘制等几个过程。

1）基于视图进行自动拼接

该方法也不需要在外业现场布设控制点或标靶，节省了外业工作时间，在内业处理软件里，以某一个测站点云为基准，将相邻测站点云分别进行平移、旋转、升降，将两个测站点云里的同名空间特征进行匹配，两个测站点云只需近似吻合匹配，软件即可将两个点云进行处理合并。

2）点云去噪与合并

点云去噪是点云的细化过程。扫描仪的原始点云中经常存在对结果处理产生不利影响的点。去噪是保留有效点并删除无效点的过程。可以使用矩形和多边形工具框选然后删除噪点。点云合并是将所有测站点云合在一起，使所有点云形成一个整体，目标是将整个视图中的多个点云合并为一个合并的点云。完成统一处理后，可以更好地搜索和导出点云。

3）点云切割与平立面图绘制

点云的切割操作为后续的立面图、平面图绘制做准备。使用Autodesk软件的切面切片工具，从水平和垂直两个方向对点云数据进行切片，并根据具体情况调整切片厚度，从而直观清晰地看到鼓楼柱子、门窗、梁、枋等构件的轮廓线。为了确保切片平面是水平的或垂直的，通常需要将参考平面工具与切片工具一起使用。根据某一点，先建立XY、XZ或YZ方向的参考平面，再由参考平面定义切片[1]。

6 鼓楼图绘制

图1 鼓楼平面、立面和剖面绘制图

图2 鼓楼3D模型多角度展示示意图

扫描的点云数据不仅具有与真实物体相同的形状，还包含与真实物体相同的几何信息。通过提取结构特征和测量距离，按照适当的比例绘制鼓楼平面图、立面图和剖面图（见图1）。鼓楼平面图需要标注柱子的中心线、边柱间距、梁的位置、枋、大梁、檩条、椽子。立面符号指示檐层的位置和高度、屋顶的高度，并绘制单线俯视图。俯视图符号表示边柱间距、梁、枋、大梁、檩条、椽子的位置。

7 鼓楼数字化活用

随着科学技术的发展，在大数据与“互联网+”的时代背景下，鼓楼保护逐渐搭上数字化快车，运用数据采集技术与软件开发技术，为古物古建保护赋能。现阶段鼓楼数据的采集往往采用三维激光扫描技术，该技术扫描过程中不会接触扫描对象，能够避免对古物的破坏，在数据采集过程中常用的扫描仪器有地面三维激光扫描仪、手持三维激光扫描，在使用过程中，根据应用场景与对象不同，而选择适合的扫描方式，以获得最为精准完整的数据。依托三维激光扫描数据得到的鼓楼模型，在鼓楼展示3D模型中可进行多角度展示，同时还可呈现鼓楼文化背景介绍等信息，加深人们对鼓楼的认识以及对文化的了解程度，利于文化接受与传承（见图2）。

8 结语

三维激光扫描技术为快速、精确三维重建提供了强有力的手段，圆满解决了鼓楼高，结构复杂的技术难题，因其是非接触式测量，所以不会对文物构成任何的伤害；三维激光扫描技术可以对每一栋单体建筑进行扫描，记录下建筑内外形制的原状，扫描结果与手工测绘相比，精确度提高了，一些复杂的数值也能得到统计。比如柱子的生起、侧脚，屋角的起翘、正脊的曲线形态等，在电子图上可以直接读取有关数据；比如梁、瓜、枋等建筑构件的长、宽、高，它们的下垂、倾斜、扭曲等数据都可以存储，为鼓楼建立了数据档案。