周克初

（山西天昇測繪工程有限公司 山西太原 030001）

三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用研究

周克初

（山西天昇測繪工程有限公司 山西太原 030001）

三維激光掃描是一種新的測繪技術(shù)，憑借無接觸、高精度和快速便捷的優(yōu)勢在文物建筑測繪中中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理，分析了具體的應(yīng)用方法，對應(yīng)用過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和誤差分析問題進行了探討。

三維激光掃描；文物建筑；應(yīng)用探討

文物建筑的測繪可以為文物保護提供可靠的依據(jù)，成為現(xiàn)今文物保護的基本手段，是后續(xù)研究工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的測繪工作中常應(yīng)用單點接觸的方法，工作效率較為地下，測繪結(jié)果也沒有同一的標(biāo)準(zhǔn)，很多情況下測繪精度無法滿足要求，嚴(yán)重制約著測繪工作的進一步開展。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用掃描、電子技術(shù)和信息處理技術(shù)，滿足了文物建筑測繪工作快速、非接觸、高精度的要求，被文物保護單位廣泛采用，應(yīng)用過程中的核心問題是要對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)精度進行評價，其中數(shù)據(jù)精度與測繪誤差有著直接的關(guān)系。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

三維激光掃描技術(shù)的核心是對三維激光掃描儀的應(yīng)用，可以將三維激光掃描儀看做是一臺高速旋轉(zhuǎn)的全站儀。將水平方向和豎直方向的步進角度成為步進距，在測繪的過程中，按照預(yù)先設(shè)定的步進距進行掃描，步進的過程中進行測距，及時接收回光強度，為不同的掃描點提供對應(yīng)的明暗屬性。一般在應(yīng)用過程中都會內(nèi)置CCD相機，在采集掃描對象的顏色信息后，分配到點對應(yīng)的色彩屬性上，將對應(yīng)點的集合稱為“點云”[1]。

圖1為三維激光掃描的原理圖，其中P掃描點，距離S已知。

根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系，可以求出掃描點P的測站坐標(biāo)，表示為：

圖1 三維激光掃描原理

文物建筑測繪工作中應(yīng)用的激光掃描儀一般為氣體激光掃描儀或者半導(dǎo)體激光掃描儀，波長范圍一般為400～1200nm，實際應(yīng)用中的顏色為綠色或者近紅外。由于實際應(yīng)用中測距方式的不同，將掃描方式分為脈沖式掃描和相位式連續(xù)掃描，測量中一般選用等角度的步進式測量方法，整體掃描形式有旋轉(zhuǎn)棱鏡式、擺動掃描式和旋轉(zhuǎn)正多面式。

在實際測繪過程中，一般將測角精度控制在±25″，測距精度控制在±4mm，值得注意的是，實際激光波長、激光功率和反射率都會影響到最大測距的范圍，掃描質(zhì)量也會受到激光發(fā)散角的影響，針對現(xiàn)有的掃描設(shè)備的激光光斑，一般都標(biāo)注在6mm@50m范圍。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用方法

2.1 應(yīng)用綜述

文物建筑內(nèi)部具有較多的梁架，測繪過程中需要繪制建筑的平面圖、立面圖和剖面圖，并且還需要建筑結(jié)構(gòu)的大樣圖。在采集掃描數(shù)據(jù)的過程中，需要在測繪現(xiàn)場布設(shè)高密度和高精度的控制網(wǎng)，結(jié)合掃描設(shè)備和掃描對象的特點進行測繪。初步處理后的點云圖需要現(xiàn)場校核，針對得出的初步結(jié)果，及時找出漏洞，再次掃描。針對無法掃描到的死角位置，可以應(yīng)用手工的方法進行補測。由于點云圖的識別能力不足，可以對建筑構(gòu)建勾畫出分塊圖的建筑紋理。在實際測繪中，結(jié)合文物建筑的特點，制定測繪技術(shù)路線，不同的文物建筑應(yīng)用的測繪流程基本一致，測繪流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描測繪流程圖

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 控制點的布設(shè)和測量

掃描質(zhì)量直接受到控制點布設(shè)的影響，在實際測繪中，都必須保證三維激光掃描儀工作在最佳范圍內(nèi)，相鄰控制點的距離必須小于掃描儀的最佳工作范圍，以發(fā)揮最大的掃描效益。為了保證點云數(shù)據(jù)的完整性，將掃面站點之間的重疊度控制在20～30%。如果掃描方向與掃描對象之間存在夾角，為了降低測繪誤差，必須保證控制點的掃描方向與建掃描對象垂直。

控制點選擇的過程中還必須保證掃描的完整性和通視性，針對結(jié)構(gòu)重疊、遮擋嚴(yán)重的掃描對象要尤其注意。針對高大的掃描對象，控制點需要布設(shè)在固定的升降機或者較高的位置上，保證掃描的完整性，同時保證控制點和其它控制點相互聯(lián)系[2]。

控制點布設(shè)完成后，及時測量多個平面和高程，以掃描精度為準(zhǔn)，嚴(yán)格控制測量精度。

2.2.2 三維全景掃描

先獲得控制點的坐標(biāo)信息，在已知的控制點上架設(shè)三維激光掃描儀，及時將靶標(biāo)放置在不同的兩站之間，再進行粗掃描，掃描過程中速度較快、范圍較大，但是分辨率不足，需要在粗掃描的基礎(chǔ)上再次測量，在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)選好預(yù)定確定的分辨率進行掃描，相鄰的兩站之間需要有多個公共靶標(biāo)。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)采集和去噪

數(shù)據(jù)采集的過程中包括去除非連接項和抽稀采樣，采集的數(shù)據(jù)包括樹木、道路和行人等非目標(biāo)數(shù)據(jù)，需要及時刪除，以期得到最標(biāo)準(zhǔn)的文物建筑數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)量較大，在計算機內(nèi)占用較多的內(nèi)存，對計算機處理數(shù)據(jù)的能力造成影響，因此必須對密集的原始數(shù)據(jù)進行剔除，這就是抽稀采樣。

設(shè)備本身和環(huán)境的影響，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)在紅包含較多的不規(guī)則數(shù)據(jù)，稱之為噪音數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對測繪作業(yè)時沒有作用的，必須進行去噪處理。

2.3.2 拼接

拼接的過程中需要將不同空間直角坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)進行科學(xué)的變換，將不同坐標(biāo)系中測得的數(shù)據(jù)整合到一個坐標(biāo)系中，將零散的分塊統(tǒng)一起來，將測站的掃描數(shù)據(jù)連接在一起，對重疊數(shù)據(jù)進行處理[3]。

2.3.3 構(gòu)建多邊形三角網(wǎng)

拼接后的數(shù)據(jù)是多個密集點的坐標(biāo)，為了形成文物建筑的表面模型，必須構(gòu)造出多邊形三角網(wǎng)。有時因為數(shù)據(jù)殘缺，文物建筑的表面模型將出現(xiàn)一些孔洞，針對大范圍的孔洞，不能進行后續(xù)的處理，必須及時進行補測。針對極小范圍的孔洞，可以結(jié)合周圍數(shù)據(jù)新進行填充，建立完整的三維魔心個，表現(xiàn)出更加直觀的測量數(shù)據(jù)和建筑的紋理信息可以借助相片對建筑模型進行觀察。

2.3.4 提取信息

文物建筑測繪的最終目的是要獲取尺寸數(shù)據(jù)，得出正射投影圖和等高線圖等。針對單個構(gòu)件的尺寸信息和測量數(shù)據(jù)，可以用點云處理軟件獲取文物建筑的模型數(shù)據(jù)，包括距離、面積和角度等。另外還需要繪制出建筑的剖面圖三視圖，在特征平面內(nèi)建立建筑模型，再繪制出線化圖，將建筑物立面的正射影投影在豎直平面和水平面上，以此得出三視圖。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

掃描對象無法在同一測站上完成掃描，需要將不同測站上的數(shù)據(jù)信息進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的信息統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，這也是拼接過程中需要完成的重點內(nèi)容，有時為了和大地測量坐標(biāo)系相連，需要進行數(shù)據(jù)的“絕對定向”。

文物建筑有它固有的形式和風(fēng)格，在掃描測繪的過程中，需要應(yīng)用大量的掃描數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)對累積誤差的控制，提高數(shù)據(jù)精度，實際應(yīng)用中常采用單站拼接的方式、閉合導(dǎo)線的拼接方式和自由疊加拼接方式。

3.2 誤差分析

誤差控制是測繪作業(yè)中的重要工作，因此必須明確誤差的來源。

3.2.1 控制網(wǎng)的誤差

控制網(wǎng)的誤差與測站點地理坐標(biāo)有著直接的關(guān)系，后期模型的拼接誤差直接取決于測站點的坐標(biāo)誤差，控制測量的精度與儀器精度和觀測方法有著直接的聯(lián)系。

3.2.2 掃描儀的誤差

如果儀器本身存在性能缺陷，姜桂在脈沖信號的發(fā)射和處理過程中形成測距誤差，掃描鏡的誤差和引擎非均勻轉(zhuǎn)動的誤差將導(dǎo)致測角誤差[4]。

3.2.3 文物建筑本身特性的影響

不同的文物建筑，其表面材質(zhì)和形狀都會有較大的差異，因此反射特性也會存在較大的不同，信號的反射強度也會存在一定的差異，影響測繪精度。文物建筑表面裝置凹凸不平，傾斜部分的平面發(fā)現(xiàn)不能與激光光束重合，將導(dǎo)致一定程度的位置偏差。

3.2.4 數(shù)據(jù)處理中的誤差

數(shù)據(jù)處理過程中的去噪、拼接和建模都可能產(chǎn)生誤差，例如在拼接過程中出現(xiàn)靶標(biāo)擬合誤差，不同的處理算法將出現(xiàn)不同的誤差，另外，不同的應(yīng)用軟件也將產(chǎn)生不一樣的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.2.5 環(huán)境因素的影響

掃描過程中由于風(fēng)向、溫度和氣壓等的變化對激光的傳輸造成影響，最終導(dǎo)致測繪結(jié)果的誤差。

4 結(jié)束語

在文物建筑測繪精度要求逐漸提高的同時，三維激光掃描測繪技術(shù)也獲得了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用過程中，需要做好對誤差的控制。雖然在實際應(yīng)用中還存在一定的問題，其高精度和簡便快捷的優(yōu)點會逐漸明顯，也會在文物建筑測繪中開拓出新的空間。

[1]湯羽揚，杜博怡，丁延輝，等.三維激光掃描數(shù)據(jù)在文物建筑保護中應(yīng)用的探討[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2011，27（4）：18.

[2]郇小龍.三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用[J].江西建材，2015（17）：224.

[3]余海洋，史臘梅，熊朝暉，等.三維激光掃描在文物建筑測繪中的應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2015，36（2）：10.

[4]白成軍.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用及相關(guān)問題研究[D].天津大學(xué)，2009，12（1）：22.

TU198+.2

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1004-7344（2016）06-0173-02

2016-2-10

周克初（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事測繪工作。