三維激光掃描儀在古建筑測繪的應(yīng)用

1、三維激光掃描儀在古建筑測繪的應(yīng)用引言古建筑的藝術(shù)價值、 文化價值及歷史價值較高， 是中國幾千年來的文化沉淀和勞動人民智慧的結(jié)晶。 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展， 人們對古文物建筑保護的重視度日益提升， 在古建筑保護中， 古建筑測繪是一項基本工作，具有深遠的意義。 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)采集的手段和方法不斷創(chuàng)新， 三維激光掃描儀產(chǎn)生。作為空間數(shù)據(jù)獲取的有效手段， 它能夠?qū)κ挛锏目陀^事實進行迅速的反映，對古建筑的測繪具有重要作用。1 三維激光掃描儀和古建筑測繪1.1 三維激光掃描儀的測量原理三維激光掃描儀是新興的測量技術(shù)， 能夠?qū)Υ蠓秶鷧^(qū)域的信息進行高精度、直接、快速以及全天候的

2、采集，它利用激光測距的原理，通過點云集密集的目標物表面的紋理信息、 反射率和三維空間坐標對其空間進行三維記錄。1.2 古建筑測繪古建筑測繪是將測繪學直接應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域， 對建筑遺產(chǎn)進行記錄、監(jiān)測和保護。 在古建筑保護中，對保護對象進行完整的測繪并存檔，為日后的修復(fù)和重建提供參考依據(jù)是最基本的工作任務(wù)。傳統(tǒng)的古建筑測繪所用到的測量工具是垂球、直尺和角尺等，最終獲取的數(shù)據(jù)多用圖紙和文字記錄， 對古建筑的現(xiàn)狀和尺寸表達不準確，也容易出現(xiàn)遺漏， 對后期的工作產(chǎn)生不利影響， 造成資源的浪費。2 古建筑測繪中三維激光掃描儀應(yīng)用的誤區(qū)2.1 對三維激光掃描儀的精度認識存在誤區(qū)誤差和錯誤不同， 錯誤可

3、以避免而誤差是不可避免的。 在多數(shù)情況下，物體的真實值無法知道，測量只是對某個量真值的描述，即使多次重復(fù)測量的平均值也只是接近真值。 而精度和誤差又是兩個不同的概念，精度是在測量中誤差分布的程度，即為概率；誤差是測量值和真實值的差異。測量的精度高僅說明測量中誤差分布的大小較為集中，并不是測量的誤差值。 在古建筑測繪中，數(shù)據(jù)的獲取和二維線劃圖的精度，不僅受掃描儀精度的影響，點捕捉的誤差、點云的厚度的因素也會對其造成影響。 因此，在應(yīng)用三維激光掃描儀進行古建筑測繪時，不能過分相信儀器的精度， 應(yīng)當對誤差產(chǎn)生的來源進行細致的分析，從而確定結(jié)果的實際精度。2.2 在測繪中不分對象追求高精度測繪的目的是

4、對事物的本質(zhì)規(guī)律通過數(shù)據(jù)進行揭示。 測繪的數(shù)據(jù)雜亂，隱藏著事物的內(nèi)部規(guī)律。 對繁亂的數(shù)據(jù)進行一定處理后才能對其中隱藏的信息和規(guī)律進行解讀。 揭示事物的內(nèi)部規(guī)律是測量數(shù)據(jù)的原則，而過高的測量精度卻掩蓋了規(guī)律性， 反而對測繪數(shù)據(jù)的處理造成不利影響，增加了數(shù)據(jù)處理的難度和復(fù)雜性； 測量的精度過低又無法反映事物內(nèi)部的規(guī)律。 在平面圖的繪制中， 一般要求測繪的精度達到 5mm 即可，精度過低無法反映對象的本來面目，精度過高則是對資源的浪費。因此，在進行古建筑測繪時，應(yīng)當對其內(nèi)部的規(guī)律進行分析，從而確定測量的精度。2.3 儀器代替手工測繪三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應(yīng)用，極大的提高了測繪的精度，特別是對

5、于大尺寸的建筑。 而對于屋檐、門窗等細小構(gòu)建的測量，由于掃描的分辨率和掃描精度的限制，利用三維激光掃描儀進行測繪無法達到精度要求；同時， 利用三維激光掃描儀進行測繪，只能對有效距離內(nèi)能夠直觀感受到的物體進行掃描，對于不易看見的物體采用掃描儀進行測繪，則會大大增加測繪的工作量；而且，相對誤差用于衡量長度測量的誤差，在細小構(gòu)建的測繪中，相對于儀器測繪，手工測繪的精度更高。因此，在古建筑的測繪中，儀器測繪是對手工測繪的有效補充，而不能取代手工測繪。3 古建筑測繪中三維激光掃描儀的應(yīng)用測繪實例：本次測繪以某文物考古研究所對福建武夷山市某祠堂利用三維激光掃描儀進行測繪為例（如圖 1）。該儀器掃描速度可達

6、 5 萬點 /s，理論上最大測繪值為 300m，掃描精度可達 2mm，內(nèi)置攝像機像素為 500 萬，可對測繪目標的影像進行同步記錄， 為后期點云數(shù)據(jù)處理提供參考依據(jù)。3.1 對古建筑的數(shù)據(jù)進行采集由于受到掃描盲區(qū)、 物體遮擋等因素的影響， 在進行數(shù)據(jù)采集時采取多方位、多測站的方式進行掃描。首先，對測量標靶和測站的位置和數(shù)量進行確定。測量標靶的位置依據(jù)“服務(wù)于下一個測站”的原則進行確定，盡量達到“多站兼顧”的效果，盡可能讓多個測站能夠?qū)税械臄?shù)據(jù)進行采集， 從而降低后期數(shù)據(jù)處理的誤差； 測站的位置和數(shù)量則根據(jù)測量對象的數(shù)據(jù)需求、復(fù)雜度、外觀及大小進行確定。本次測量中測量標靶和測站各設(shè)置 8 個，

7、在設(shè)好測站和測量標靶后，根據(jù)測量對象的采光情況和特征進行掃描儀曝光度和精度的確定， 讓后進行建筑的數(shù)據(jù)采集。3.2 對獲取的測繪數(shù)據(jù)進行處理由于受到現(xiàn)場實體間遮蔽和現(xiàn)場視角等因素的限制，在統(tǒng)一測站內(nèi)三維激光掃描儀無法獲得建筑全面的空間數(shù)據(jù)信息，因此，需要對建筑物進行多視角掃描， 并將得到的各個視角的三維數(shù)據(jù)進行拼接處理，然后轉(zhuǎn)換到同一坐標系中，此過程為點云數(shù)據(jù)的拼接。從而滿足（1）中目標函數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換矩陣R、T 和平移矢量T。f（R，T）minR×piTqi2（1）其中，需要變換的點云用pi 和 qi 表示，從（ 1）中可以看出，其核心為求得坐標的變換參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)矩陣 R 和平移矢量

8、 T。受到測量對象被遮擋、行人和車輛等的影響，在利用三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集時會產(chǎn)生少量不規(guī)則、不清晰的點云，稱之為噪點。后期 CAD 繪制圖形以及計算機的存儲器和系統(tǒng)資源都會受到噪點的影響，因此，需要對噪點進行處理。3.3 利用 CAD生成測繪圖紙古建筑測繪的目的是進行古建筑真實、客觀的反映，得到反映古建筑遇原貌的圖紙， 并進行古建筑數(shù)據(jù)的存檔， 因此在測繪時應(yīng)當保障采集數(shù)據(jù)的詳細度和完整度， 為后期的重建和修復(fù)提供可靠的參考依據(jù)。為了使得點云數(shù)據(jù)模型得到優(yōu)化，應(yīng)對拼接后的古建筑點云數(shù)據(jù)在 Cyclone 軟件中進行處理，然后將點云數(shù)據(jù)模型通過Cloudworx插件導入 CAD中進行切片處理，最后利用 CAD根據(jù)點云數(shù)據(jù)和切片的特征進行繪圖， 得到祠堂的帶點云數(shù)據(jù)的立面圖， 隱藏點云后得到最終的立面圖。3.4 此次測繪的思考在此次測繪中， 采用了三維激光掃描儀，與傳統(tǒng)的測繪相比，掃描儀從工作效率、測量的完整性以及精準度等方面都具有明顯的優(yōu)勢。在本次測繪中，用“球形標靶”代替了傳統(tǒng)的“黑白標靶”，進行數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)精度相比之下有了很大的提高，誤差降低。同時，為了提升計算機數(shù)據(jù)處理的能力，采取了“分組處理、整合拼接”的方式，將測得的數(shù)據(jù)進行分組，分別進行拼接和去噪，然后利用 CAD 進行合并。4 結(jié)語綜上所述，作物古建筑測繪中的新型技術(shù)手段，三維激光