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        三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用

        2015-08-15 00:51:34郇小龍上海市建工設(shè)計(jì)研究院上海200000
        江西建材 2015年17期
        關(guān)鍵詞:掃描儀建筑物文物

        ■郇小龍 ■上海市建工設(shè)計(jì)研究院,上海 200000

        目前,在測繪領(lǐng)域,相關(guān)的技術(shù)在不斷發(fā)展,三維激光掃描作為全新的測量技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注,它創(chuàng)新了文物建筑測繪的方法,借助高速激光測量,對物體的三維信息實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、快速與大量的獲取,在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了相應(yīng)的三維模型,此項(xiàng)技術(shù)符合文物建筑測繪的要求,促進(jìn)了文物建筑保護(hù)工作的有效開展,為其提供了可靠的技術(shù)支持,因此,在文物建筑測繪中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)有著積極的意義。

        1 文物建筑測繪的概況

        1.1 概念

        中國有著悠久的營造活動歷史,在建筑物中凝結(jié)著古代人民的智慧,文物建筑有著精美的外形與堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),但受自然與人為因素的影響,部分建筑物未能得到保存。時至今日,保留下來的文物建筑是重要的,它彰顯著歷史的風(fēng)貌,體現(xiàn)著古人的智慧,因此,要注重對文物建筑的保護(hù)。

        文物建筑測繪主要是利用測繪學(xué)對文物建筑進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)測,通過測繪,為文物建筑成立了記錄檔案,此檔案是文物建筑維護(hù)、保護(hù)、評估與教育宣傳的重要依據(jù)。

        文物建筑測繪有著自身的特點(diǎn),其一,非接觸測繪。文物建筑十分珍貴與稀奇,在測繪過程中,要減少對其破壞,因此,應(yīng)注重?zé)o損測繪。其二,高精度。文物建筑有著精美的做工與復(fù)雜的結(jié)構(gòu),同時其紋理具有多樣性,為了實(shí)現(xiàn)對全部信息的呈現(xiàn),對測繪精度有著較高的要求。其三,較大的難度。文物建筑測繪的記錄難度較大,主要是由于建筑物的花飾較為復(fù)雜,建筑物擁有一定的高度與寬度,測繪的工程量相對較大。

        1.2 類型

        文物建筑測繪主要分為兩類,一類為精密測繪,另一類為法式測繪。前者主要是為了實(shí)現(xiàn)文物建筑的遷建與維修,它對精度有著較高的要求,在測繪過程中,需要大量的花費(fèi),如:人力、物力與時間等;后者主要是為了構(gòu)建文物建筑的記錄檔案,它具有一定的簡便性,能夠?qū)ㄖ锏恼w情況實(shí)現(xiàn)全面的記錄,其占用的資源相對較少,但此方法缺少準(zhǔn)確性,不利于科學(xué)記錄檔案的建立。

        1.3 方法

        文物建筑測繪屬于基礎(chǔ)性工作,它為建筑物的研究與記錄提供了數(shù)據(jù)支持,測繪方法要具有一定的科學(xué)性、準(zhǔn)確性與合理性,在此基礎(chǔ)上,文物建筑測繪工作才能夠具有高效性與精準(zhǔn)性,同時,測繪記錄資料才能夠擁有完整性與詳細(xì)性。文物建筑測繪的方法眾多,主要的方法有四種。第一種,傳統(tǒng)的手測。手測方式借助了簡單的工具,如:水平尺與鋼尺等,對建筑物的尺寸大小進(jìn)行了測量,此方法雖然具有便捷性與可操作性,但缺少科學(xué)性與準(zhǔn)確性。第二種,全站儀測量。此方法作為單點(diǎn)數(shù)據(jù)測量,其工作量較大,具有一定的精度。第三種,近景攝影測量。此方法對建筑物的大小與形狀實(shí)現(xiàn)了測量,屬于非接觸性測量。第四種,三維激光掃描。該方法作為新型的測量技術(shù),為復(fù)雜建筑物構(gòu)建了三維數(shù)據(jù)模型,它結(jié)合了機(jī)、光與電等技術(shù),并且整合了傳感工藝,它有效利用了高科技手段,使其具有高精度、現(xiàn)代化與先進(jìn)性等特點(diǎn)[1]。

        2 三維激光掃描的概況

        2.1 工作原理

        三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成主要有掃描儀、控制器與電源供應(yīng)系統(tǒng)等,具體的組成部分有接收器、激光發(fā)射器、時間計(jì)算器、同軸相機(jī)、電腦與相關(guān)軟件等。

        三維激光掃描的工作原理為:三維激光掃描儀擁有掃描系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)與內(nèi)部控制、校正系統(tǒng)等,在儀器內(nèi),激光脈沖發(fā)射體將發(fā)射出脈沖信號,再兩個發(fā)射鏡的作用下,實(shí)現(xiàn)對被測物體的快速掃描,此后,被測物體的反射將由接收器接收,此時接收器主要是記錄激光脈沖的發(fā)射及其接收的時間差,同時對被測物體的空間距離也將進(jìn)行計(jì)算??刂颇K將對脈沖的水平角與天頂距進(jìn)行記錄,并結(jié)合空間極坐標(biāo)原理,對掃描的激光點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

        2.2 技術(shù)路線

        對于文物建筑而言,其內(nèi)部梁架露明,并且被嚴(yán)重的遮擋,在此情況下,不利于文物建筑測繪工作的開展,影響著建筑物平、立與剖面圖的繪制。因此,在對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采集前,要對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘,并布設(shè)高密度與高精度的控制網(wǎng),再結(jié)合掃描設(shè)備的特點(diǎn)及掃描對象的材質(zhì)、色彩等屬性,在此基礎(chǔ)上,開展相應(yīng)的掃描測繪工作[2]。

        對點(diǎn)云圖進(jìn)行處理后,需要校核現(xiàn)場,如果發(fā)現(xiàn)掃描的遺漏位置,要對其進(jìn)行補(bǔ)掃,對于掃描死角部分,要選用手工補(bǔ)測的方法。點(diǎn)云圖的識別能力相對較差,可以在現(xiàn)場勾繪建筑構(gòu)件的分塊圖,以此掌握建筑紋理。

        3 三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用

        3.1 工作的流程

        (1)工作計(jì)劃的制定。工作計(jì)劃制定的主要依據(jù)為文物建筑的環(huán)境條件,如果條件需要則要借助相關(guān)的輔助設(shè)施與工序。同時,要對掃描距離與掃描分辨率進(jìn)行確定,其依據(jù)為掃描精度需求及儀器的工作范圍;還要對掃描站數(shù)與掃描路線進(jìn)行確定,其依據(jù)為掃描站間的重疊程度與設(shè)站的合理性;最后,對于測繪工作的時間安排依據(jù)為天氣、工作環(huán)境與任務(wù)量等[3]。(2)數(shù)據(jù)的采集與處理。此環(huán)節(jié)分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,前者主要包括控制點(diǎn)的布設(shè)、測量與三維全景掃描??刂泣c(diǎn)的布設(shè)是重要的,它直接關(guān)系著后續(xù)的掃描工作,影像著掃描的質(zhì)量。在布設(shè)后,要測量平面與高程,為了保證測量的精度,對掃描精度有著較高的要求。在坐標(biāo)信息獲取后,要將三維激光掃描儀架設(shè)在控制點(diǎn)上,分別進(jìn)行粗掃描與細(xì)掃描。后者主要包括對非連接項(xiàng)的去除、降噪、采樣抽稀,拼接,構(gòu)建模型與提取信息等。

        3.2 存在的誤差

        關(guān)于文物建筑測繪而言,其中存在的測繪誤差是由眾多因素造成的,主要的誤差類型如下:其一,在控制測量方面。控制網(wǎng)的精度直接影響著地理坐標(biāo)的精度,同時,控制測量的精度受儀器、觀測方法與后續(xù)平差處理的影響。其二,在掃描儀方面。儀器自身存在的缺陷,在脈沖信號發(fā)射與處理等環(huán)節(jié)均可能出現(xiàn)誤差。其三,在數(shù)據(jù)處理方面。在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中,對于數(shù)據(jù)的刪除與模型的構(gòu)建中可能出現(xiàn)誤差[4]。

        3.3 存在的不足

        在實(shí)際測繪過程中,存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾方面:首先,缺少的數(shù)據(jù)。三維激光掃描中運(yùn)用的激光脈沖缺少穿透力,對于復(fù)雜、重疊的建筑物而言,其采集的信息僅為表面部分,此時遮擋部分的數(shù)據(jù)存在較為嚴(yán)重的缺失現(xiàn)象。同時,信號在傳播、接收過程中,受諸多因素的影響,此時部分信息難以實(shí)現(xiàn)記錄。為了對此情況實(shí)現(xiàn)補(bǔ)救,采用了補(bǔ)洞的手段,但此時的數(shù)據(jù)是通過填充實(shí)現(xiàn)的,缺少真實(shí)性與準(zhǔn)確性。其次,欠缺的信息。三維激光掃描儀主要是對文物建筑的大小、形狀與位置等三維空間信息進(jìn)行獲取,但不能實(shí)現(xiàn)對其彩色圖案與紋理信息的獲取。為了實(shí)現(xiàn)對色彩與紋理的獲取,借助了相機(jī),但此時的信息缺少完整性與清晰度。再次,缺乏的軟件。當(dāng)前,關(guān)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理軟件主要為RapidFom,Imageware,此類軟件擁有一定的點(diǎn)云處理能力,但主要用于機(jī)械制造中,而文物建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理缺少專業(yè)的軟件支持[5]。最后,受限的推廣。三維激光掃描儀主要來自國外,其價格偏高,對于一般的文化保護(hù)單位來說難以承擔(dān),因此,制約著此測繪方法的推廣。

        4 總結(jié)

        綜上所述,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,測繪技術(shù)日益豐富,其中三維激光掃描技術(shù)對于文物建筑的測繪而言是重要的,該技術(shù)有著一系列的優(yōu)點(diǎn),如:快速、精準(zhǔn)與無接觸等。通過本文的研究,三維激光掃描技術(shù)的作用將得到最大限度的發(fā)揮,文物建筑測繪工作將更加高效、準(zhǔn)確與科學(xué)。

        [1]王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應(yīng)用[D].中南大學(xué),2010.

        [2]白成軍,王其亨.三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[J].文物,2013,10(03).

        [3]白成軍,吳蔥,張龍.全系列三維激光掃描技術(shù)在文物及考古測繪中的應(yīng)用[N].天津大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2013,11(05).

        [4]湯羽揚(yáng),杜博怡,丁延輝.三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護(hù)中應(yīng)用的探討[N].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2011,10(04).

        [5]曹勇.三維激光掃描在開平碉樓建筑測繪中的應(yīng)用[J].門窗,2015,12(01).

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