查燕萍，龍北平

（江西省煤田地質(zhì)局 測繪大隊，江西 南昌330001）

1 概述

古建筑測量較為困難，采用傳統(tǒng)的測量方式很難滿足測量要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 古建筑結(jié)構(gòu)復雜，錯落有致，部分區(qū)域形狀不規(guī)則，測量難度大；② 傳統(tǒng)的測量方式如全站儀、GNSS等，均需要與測量目標接觸方可測量，容易對文物造成損壞；③ 傳統(tǒng)的測量方式均為“點式”測量，即一次測量只能得到一個點的三維坐標，很難真實準確的反映復雜的古建筑。因此，在古建筑測量中，采用新技術(shù)、新方法非常必要。

近年來，三維激光掃描技術(shù)在考古、古建筑建模等領域中得到了廣泛的應用。如天津大學使用三維激光掃描技術(shù)進行古建筑、文物測量，并進行了三維建?！?〕；西安某機構(gòu)對秦陵兵馬俑二號坑進行掃描，構(gòu)建三維立體模型，實現(xiàn)了遺址信息的數(shù)字化存儲〔2〕；劉江濤等使用三維激光掃描獲取三星堆遺址的點云數(shù)據(jù)，并進行三星堆一號坑的三維重建〔3〕。根據(jù)萬壽宮古建筑的特點，決定采用三維激光掃描技術(shù)進行測量。

2 三維激光掃描技術(shù)簡介

2.1 三維激光掃描原理

采用三維激光掃描進行測量時，掃描儀內(nèi)部發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖通過兩塊快速有序旋轉(zhuǎn)的反射片反射，并按一定次序掃過目標區(qū)域，通過測量激光從發(fā)射到接受的時間計算距離，編碼器測量脈沖的角度，從而可以計算出目標點的三維坐標。三維激光掃描的工作原理見圖1。

三維激光掃描具有非接觸測量、主動測量、數(shù)據(jù)采樣率高、高分辨率、高精度、數(shù)字化測量等優(yōu)點。測量時，可以配合數(shù)碼相機獲取建筑物的紋理數(shù)據(jù)；也可以與全站儀、GNSS等傳統(tǒng)測量方法配合，獲取大地坐標系下的三維坐標數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀簡介

本項目使用RIEGL VZ－400三維激光掃描儀，儀器精度指標與性能見表1。

表1 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀參數(shù)指標

3 基于三維激光掃描的古建筑群測量

3.1 工程概況

萬壽宮坐落于南昌市區(qū)西南隅象湖風景區(qū)內(nèi)，是著名的道教圣地。本次測量繪制出掛有南昌市文物保護建筑牌的古建筑群（16棟）的總平面圖，各單體建筑的平面、立面及剖面圖，并配有實拍圖片。

3.2 控制點布設與測量

首先進行測區(qū)踏勘，主要任務是了解測區(qū)的基本情況，收集測區(qū)的控制點數(shù)據(jù)，根據(jù)三維激光掃描的作業(yè)要求，劃分掃描作業(yè)面。

為了將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標系下，需要布設控制點、掃描站點和標靶。布設時，需要充分考慮傳統(tǒng)的測量儀器（全站儀、GNSS）的測量要求；同時掃描站點需要選擇在點位穩(wěn)定、地勢平坦的地方，到測量目標的距離要適中且需要盡可能掃描較大的范圍，與測量目標之間無遮擋；標靶布設在掃描重疊區(qū)域，需布設三個或以上標靶，并不能在同一直線上。

采用JXCORS－RTK全站儀等方式按照導線測量的要求進行控制點、掃描站點測量；標靶坐標可以采用全站儀進行測量。

3.3 三維激光掃描

為了將三維激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標系下，掃描時常采用兩種方法：后視定向法和標靶擬合法。本項目測量時，兩種方法結(jié)合使用。采用后視定向法掃描，與全站儀測量的過程相同，在已知控制點上架設三維激光掃描儀，對中整平后進行后視定向，然后即可開始掃描工作。采用標靶擬合法掃描時，首先任選一處架設三維掃描儀器，并同時布設標靶三個以上，為保證精度，標靶的位置距離三維掃描儀器約30m左右，避免標靶在同一水平面上或者在一條直線上；然后利用全站儀測量標靶坐標，同時利用三維掃描儀掃描地形點坐標；最后對標靶坐標進行精掃描，獲取標靶的精確坐標（小于3mm），由此即可將三維掃描坐標轉(zhuǎn)換為大地坐標。

三維激光掃描時，盡可能避免人員走動，減少異常點的出現(xiàn)。需要設置合適的分辨率，保證數(shù)據(jù)既不缺失，又不過度冗余，分別設置水平與垂直掃描分辨率，規(guī)則區(qū)域可以采用低分辨率掃描，結(jié)構(gòu)復雜時采用高分辨率掃描。需要對標靶進行精細掃描，獲取高精度的坐標，提高坐標轉(zhuǎn)換的精度。測站掃描完成后需要現(xiàn)場檢查掃描數(shù)據(jù)是否能滿足項目要求，并對掃描數(shù)據(jù)命名和記錄，包括測站名稱、掃描順序、掃描時間、掃描分辨率等信息。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括點云數(shù)據(jù)整合、圖形繪制和建模等內(nèi)容。首先根據(jù)測站數(shù)據(jù)和標靶數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)配準和轉(zhuǎn)換，將點位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標系下。采用儀器自帶RiSCAN PRO軟件完成點云拼接工作，首選在測站掃描重疊部分選取三個以上的同名標靶進行粗拼接，然后軟件自動構(gòu)面并計算兩測站之間的轉(zhuǎn)換矩陣，完成拼接工作。拼接完成后，根據(jù)點云數(shù)據(jù)中標靶的自由坐標和實測的標靶坐標，設置參與計算的控制點和轉(zhuǎn)換精度，軟件可以自動匹配坐標，計算轉(zhuǎn)換矩陣，將自由坐標的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標。

經(jīng)過點云數(shù)據(jù)濾波處理、點云數(shù)據(jù)平滑和壓縮等工作，為圖形繪制和三維建模提供原始數(shù)據(jù)。根據(jù)點云數(shù)據(jù)，可以方便地進行平面圖、立面圖的繪制，并可以進行三維建模，準確反映古建筑的真實狀況。

4 三維激光掃描精度檢核

4.1 標靶精度檢核

選擇部分未參與轉(zhuǎn)換計算的標靶檢核三維激光掃描的精度，共計檢查56點，結(jié)果見表2。

表2 標靶平面精度統(tǒng)計

4.2 免棱鏡全站儀精度檢核

以布設的控制點位起算點，使用免棱鏡全站儀對部分關鍵特征點進行精度檢核，結(jié)果表明，三維激光掃描的精度較高，以免棱鏡全站儀成果作為真值，計算三維激光掃描的精度，平面位置中誤差為±4.2cm，高程中誤差為±5.3cm，精度較高，可以滿足古建筑測量的精度要求。

5 結(jié)語

在南昌萬壽宮古建筑測量項目中，采用三維激光掃描技術(shù)，順利地完成了點云數(shù)據(jù)采集任務，并根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行了平面圖、立面圖的繪制和三維建模。三維激光掃描技術(shù)的應用，極大的方便了測量工作。目前，三維激光掃描測量技術(shù)已經(jīng)在竣工測量〔4〕、礦山變形監(jiān)測〔5〕等領域得到了廣泛的應用，隨著點云數(shù)據(jù)處理自動化程度的提高，地面三維激光掃描將會得到更加廣泛的應用。

〔1〕白成軍.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應用及相關問題研究〔D〕.天津：天津大學碩士論文，2007.

〔2〕宋德聞，胡廣洋.徠卡HDS應用于秦俑二號坑數(shù)字化工程.測繪通報〔J〕.2006，（6）：69－70.

〔3〕劉江濤，張愛武.三維數(shù)字化技術(shù)在三星堆遺址中的應用.首都師范大學學報（自然科學版），2007，28（4）：68－71.

〔4〕胡章杰，薛 梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實技術(shù)研究〔J〕.城市勘測，2013，（1）：15－20.

〔5〕陳永劍.地面三維激光掃描系統(tǒng)在露天礦監(jiān)測中的應用研究〔D〕.太原：太原理工大學碩士論文，2009.