王 林 （合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230061）

1 引言

三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，通過高速測(cè)量記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速恢復(fù)被測(cè)目標(biāo)的三維模型。

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于請(qǐng)報(bào)送歷史建筑測(cè)繪建檔三年行動(dòng)計(jì)劃和規(guī)范歷史建筑測(cè)繪建檔成果要求的函》和《關(guān)于印發(fā)安徽省歷史建筑測(cè)繪建檔三年行動(dòng)計(jì)劃的函》的要求，歷史建筑測(cè)繪應(yīng)完整繪制總平面圖、平面圖、立面圖、平面圖和詳圖，一般通過全站儀結(jié)合測(cè)距儀等手段實(shí)現(xiàn)，本文通過實(shí)際案例介紹使用FARO350 PLUS地面三維激光掃描儀、SCENCE配套軟件和AUTOCAD等應(yīng)用完成測(cè)繪全過程。

2 測(cè)區(qū)概況

皖北黃麓師范烔煬農(nóng)民實(shí)驗(yàn)文化館（如圖1）建于1950年春，是全國(guó)第一個(gè)農(nóng)民文化館，位于巢湖市烔煬鎮(zhèn)烔煬老街的東街入口處，磚木結(jié)構(gòu)，面積八百多平方米，保留了眾多江淮地區(qū)建筑風(fēng)格。建筑特色如下。

圖1 測(cè)區(qū)范圍示意圖

①布局：東西向沿街布置，三進(jìn)兩天井無廂房，出入口均朝街，周邊與民居毗連，總計(jì)4幢建筑。

②結(jié)構(gòu)：穿斗式木結(jié)構(gòu)與抬梁式木結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

③屋頂：屋面為小青瓦，第一進(jìn)屋頂為硬山雙坡頂，其他為單坡屋頂。

④門窗：第一進(jìn)建筑出入口大門為普通板式隔扇門、沿街窗戶為板式鑲嵌窗（兼有商業(yè)功能）、背街面門窗已拆除僅保留門洞和窗洞。第二進(jìn)建筑門窗已拆除僅保留門洞和窗洞。第三進(jìn)建筑門窗完整，門為雕花隔扇門、窗戶為雕花隔扇窗。

⑤地面：院落和室外均為青磚地面，室內(nèi)均為平整水泥地面。

⑥墻體墻面：第一進(jìn)沿街面二層墻體為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其余墻體為240mm磚墻。第一進(jìn)沿街外表面為白色粉刷，其余為青磚墻面。

3 成果技術(shù)指標(biāo)

在實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上，確定測(cè)繪類型為全面測(cè)繪，圖件成果的技術(shù)指標(biāo)如表1。

成果技術(shù)指標(biāo) 表1

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 掃描儀參數(shù)

FARO350 PLUS是一款高速三維激光掃描儀，能夠在幾分鐘內(nèi)為復(fù)雜的環(huán)境和幾何圖形制作出細(xì)節(jié)豐富的三維圖像，其主要指標(biāo)如表2所示。

掃描儀參數(shù) 表2

4.2 控制測(cè)量

控制測(cè)量一方面實(shí)現(xiàn)站心坐標(biāo)系向成果坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也是控制點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間連續(xù)匹配誤差累計(jì)的關(guān)鍵因素，在實(shí)地踏勘的基礎(chǔ)上布設(shè)六個(gè)控制點(diǎn)，按一級(jí)導(dǎo)線精度施測(cè)并聯(lián)測(cè)四等水準(zhǔn)，其中第一進(jìn)二層閣樓布置控制點(diǎn)一個(gè)與第一進(jìn)室內(nèi)控制點(diǎn)通視（圖2）。

圖2 控制點(diǎn)與掃描站布置圖

4.3 掃描站與點(diǎn)云精度等級(jí)

在綜合分析建筑特色和成果技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，按照“內(nèi)外一致、精度區(qū)別、三架聯(lián)測(cè)”的原則確定點(diǎn)云精度等級(jí)（表3），布設(shè)掃描站57站（圖2），遵循如下要點(diǎn)。

掃描站與點(diǎn)云精度等級(jí) 表3

①確保相鄰掃描站之間通視，掃描站之間不大于20m。

②建筑內(nèi)外均采用二等點(diǎn)云精度等級(jí)，使用簡(jiǎn)易標(biāo)靶連接。

③繪制詳圖的隔扇門窗采用一等點(diǎn)云精度等級(jí)，掃描時(shí)固定三個(gè)球形標(biāo)靶位置采用類似導(dǎo)線測(cè)量中的“三架聯(lián)測(cè)法”進(jìn)行一次內(nèi)外側(cè)傳遞，減少標(biāo)靶設(shè)置的對(duì)中誤差，從正面和側(cè)面進(jìn)行掃描，為高精度匹配提供保障。

5 數(shù)據(jù)處理

SCENE是面向FARO Focus X系列高分辨率三維激光掃描儀的專業(yè)軟件，提供了多種功能和工具，能夠高效方便地對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理。SCENE點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理一般包括新建項(xiàng)目、掃描導(dǎo)入、掃描處理、掃描注冊(cè)、掃描導(dǎo)出五個(gè)過程。

新建項(xiàng)目和掃描導(dǎo)入較為簡(jiǎn)單，建立處理文件夾和文件名，導(dǎo)入外業(yè)的掃描站文件（*.fls或*.E57）數(shù)據(jù)。

掃描處理是對(duì)導(dǎo)入的掃描文件通過應(yīng)用過濾器、彩色設(shè)置和創(chuàng)建掃描點(diǎn)云，這個(gè)過程應(yīng)全部通過，否則就存在未處理的掃描站數(shù)據(jù)。

掃描儀存儲(chǔ)的每個(gè)掃描站數(shù)據(jù)都是以激光與鏡面交點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0，0）的掃描坐標(biāo)系，在SCENCE軟件中，確定不同掃描站之間空間位置關(guān)系的過程稱為掃描注冊(cè)。掃描注冊(cè)的過程與攝影測(cè)量中的“定向”類似，分為相對(duì)注冊(cè)與絕對(duì)注冊(cè)：相對(duì)注冊(cè)是通過掃描站之間的重疊點(diǎn)云和自身的傳感器數(shù)據(jù)如GPS、羅盤和高度儀等確定掃描站之間相對(duì)空間關(guān)系的過程；絕對(duì)注冊(cè)是通過標(biāo)靶與測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)掃描坐標(biāo)系向目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

掃描注冊(cè)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的核心，掃描注冊(cè)完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，內(nèi)容包括最大點(diǎn)間距檢查（一級(jí)精度小于3mm、二級(jí)精度小于10mm）、相鄰掃描站之間的點(diǎn)云重合率不得小于30%和室內(nèi)外點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個(gè)整體不允許出現(xiàn)分層三項(xiàng)。SCENCE軟件提供很好的檢查工具，如掃描注冊(cè)后可以輸出精度報(bào)告（圖3）、三維視圖檢查數(shù)據(jù)分層。

圖3 掃描注冊(cè)后的檢查界面圖

掃描導(dǎo)出主要是SCENCE軟件實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出其他格式數(shù)據(jù)的功能，如LAS格式、Recap格式等，可以根據(jù)后期圖件繪制的不同軟件選擇。

6 成果圖件繪制

歷史建筑測(cè)繪的核心成果是繪制總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖和詳圖（如圖4-圖7），可以通過使用EPS2016三維測(cè)圖、CASS 3D三維測(cè)圖和Auto-CAD等專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)繪制。

圖4 一層平面圖

圖5一層仰視平面圖

圖6 屋面平面圖

圖7 剖面圖

7 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，通過線、面、體的結(jié)合可以快速獲取高精度測(cè)繪成果，本文通過實(shí)際案例分析得出如下結(jié)論：

①應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)可以高效、高質(zhì)量完成歷史建筑測(cè)繪工作，為類似項(xiàng)目提供借鑒經(jīng)驗(yàn)；

②使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪的過程中，應(yīng)系統(tǒng)全面地分析測(cè)繪目的，從而有針對(duì)性設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和重要環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢查，確保測(cè)繪成果質(zhì)量。