王鳴霄，夏磊凱

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

老舊房屋、百年老宅等具有特定意義的建筑是人類發(fā)展歷史重要的見證者。隨著社會的進(jìn)步，人類精神文明的提高，人們對歷史悠久的百年老宅保護(hù)意識也逐漸加強(qiáng)。由于中國古代建筑物建造工藝主要由傳統(tǒng)工匠掌握，工匠一般因文化水平有限，很少用文字及圖紙記載下來。每一棟建筑物主要由工匠的經(jīng)驗(yàn)建造而成，很少有其專門的建筑圖紙[1～3]。近代個別有建筑設(shè)計(jì)圖紙的也因年代久遠(yuǎn)導(dǎo)致紙質(zhì)材料損壞、遺失。后人也無法考證其具體建筑結(jié)構(gòu)。為了還原老式建筑物的結(jié)構(gòu)，對建筑物進(jìn)行數(shù)字化存檔，需要對建筑物進(jìn)行全方面測繪，這勢必對測量技術(shù)提出較高的要求[4]。老宅的測繪從最先的皮尺丈量到全站儀設(shè)站打點(diǎn)都是一種局部、效率緩慢的測量方法[5]。

隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描在測繪行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。三維激光掃描測量技術(shù)是一種免接觸、高精度、高效率、大范圍的新型測繪方法。中國古代庭院式老宅，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，有外大門、倒座房、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、廊道、書房、正房、庭院等。使用傳統(tǒng)皮尺丈量精度不高，效率緩慢，無法準(zhǔn)確確定建筑結(jié)構(gòu)相對關(guān)系；使用全站儀測量具有架站多、不易通視、易缺漏特征點(diǎn)、工作效率慢等缺點(diǎn)[6～8]。三維激光掃描測量非常適用于中式老宅的測量和修復(fù)工作，它可以采集結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，并可以在復(fù)雜地形環(huán)境中采集建筑物特征點(diǎn)。此外三維激光掃描測量能夠通過掃描生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景照片還原建筑物外觀模型，解決復(fù)雜建筑物復(fù)雜細(xì)部重建等問題，具有很好的應(yīng)用前景。

2 三維激光掃描測量數(shù)據(jù)處理

2.1 三維激光工作原理

三維激光掃描主要由激光掃描系統(tǒng)和測距系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示，它主要是通過掃描儀發(fā)射激光信號，通過高速旋轉(zhuǎn)的反光鏡將激光向兩側(cè)均勻發(fā)射出去，當(dāng)激光遇到物體時會被發(fā)射回來，再利用儀器的接收裝置記錄返回的激光數(shù)據(jù)[9]。主要記錄的數(shù)據(jù)有反光鏡水平轉(zhuǎn)角和垂直轉(zhuǎn)角得到的激光束水平角和垂直角、激光返回的時間、激光反射回來的強(qiáng)度，若使用彩色掃描還會返回被測物體的RGB數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 技術(shù)流程

本次項(xiàng)目使用的是FARO S350固定式地面三維激光掃描儀。FARO S350具有高精度、高分辨率、高速、尺寸小、重量輕、高動態(tài)范圍成像、逼真三維彩色掃描等特點(diǎn)，同時還自帶傾斜、高度、GPS等傳感器，最遠(yuǎn)掃描距離達(dá) 350 m。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

FARO S350主要技術(shù)參數(shù) 表1

通過本次使用的FARO S350固定式三維激光掃描儀結(jié)合實(shí)際老宅測量過程，總結(jié)了三維激光掃描測量技術(shù)在老宅測量中的主要工作內(nèi)容。主要工作流程如圖2所示：

圖2 三維激光掃描工作流程

(1)現(xiàn)場踏勘

老宅測量前應(yīng)前往現(xiàn)場了解情況，大概掌握老宅房屋現(xiàn)狀、主要結(jié)構(gòu)布局及周邊的地形、地貌等。手繪現(xiàn)場草圖，并收集老宅所在位置的地形圖、影像圖、控制點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)等可利用數(shù)據(jù)。

(2)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場踏勘了解的情況、現(xiàn)場草圖和收集到的地形圖、影像圖等資料，初步設(shè)計(jì)園區(qū)內(nèi)部控制點(diǎn)布設(shè)位置和三維激光掃描儀測量架站路線。

(3)控制點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)CJJ/T8-2011《城市測量規(guī)范》、GB50026-2007《工程測量規(guī)范》、CH/Z3017-2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范規(guī)程要求布設(shè)平高控制點(diǎn)，平面采用GNSS RTK測量方法布設(shè)三級平面控制點(diǎn)，高程控制測量宜采用水準(zhǔn)測量、電磁波測距三角高程測量和GNSS高程測量等方法[10～12]。控制點(diǎn)至少布設(shè)4個，其中3個用于掃描拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，1個控制點(diǎn)用來檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換精度。RTK平面控制測量結(jié)束需要進(jìn)行不少于控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)10%，不低于3個的重復(fù)測量檢查，并采用全站儀對控制點(diǎn)進(jìn)行邊角檢核。

(4)現(xiàn)場測量

根據(jù)設(shè)計(jì)的測量方案現(xiàn)場布置掃描，并采用全站儀采集部分墻體等特征點(diǎn)驗(yàn)證點(diǎn)云測量精度。

(5)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸、點(diǎn)云拼接、RTK選點(diǎn)處理、水準(zhǔn)平差、全站儀碎部點(diǎn)解算、點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

(6)質(zhì)量檢查

使用控制檢驗(yàn)點(diǎn)和全站儀采集的特征點(diǎn)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查，驗(yàn)證點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的精度和可靠性。

(7)繪制平立剖面圖

根據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云繪制老宅的平面圖、立面圖、剖面圖。

(8)三維建模

為了長久保留老宅的建筑結(jié)構(gòu)資料，也為了更加直觀地還原老宅的容貌，幫助以后修復(fù)及BIM改造，可利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)及平立剖圖對老宅進(jìn)行三維精建模。

3 應(yīng)用案例

本次掃描測量對象是一處位于上海某園區(qū)的老宅，老宅主要建筑物由蘇州搬遷至此，總的占地面積約 3 040 m2，建筑面積約 1 465 m2。經(jīng)現(xiàn)場踏勘和獲取的高分辨率正射影像(圖3)，基本掌握老宅的結(jié)構(gòu)分布。老宅主要由一個主體建筑物和庭院圍墻構(gòu)成，主體主要由外大門、首進(jìn)大廳、二進(jìn)會客廳、三進(jìn)室正房、東廂房、西廂房、檐廊、東西廊道、庭院等組成。主體建筑物因年代久遠(yuǎn)并無相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)圖，需要對其進(jìn)行全方位三維激光掃描獲取老宅主體建筑的房屋結(jié)構(gòu)，主要包括建筑物平面圖、屋頂投影圖、立面圖和剖面圖等。本次外業(yè)掃描工作控制點(diǎn)、掃描測量及全站儀碎部點(diǎn)采集同步進(jìn)行，掃描路線由外向里進(jìn)行布設(shè)。

圖3 老宅正射影像圖

(1)控制點(diǎn)測量

老宅整體結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，在主體四邊布設(shè)4個控制點(diǎn)，其中3個為控制點(diǎn)(G1、G2、G3)，1個為檢查點(diǎn)(G4)。平面控制測量采用GNSS RTK測量得到，高程通過附近的水準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)四等水準(zhǔn)測量得到。RTK平面控制點(diǎn)共4個，每個控制點(diǎn)觀測兩測回，測回間平面、高程互差小于 2 cm。對其中3個點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量檢查，具體如表2所示。控制點(diǎn)重復(fù)測量檢查平面較差均小于 0.03 m，符合規(guī)范要求。測量結(jié)束后在4個控制點(diǎn)上放置棋盤靶紙。

RTK重復(fù)點(diǎn)檢查表 表2

(2)全站儀測量

對3個控制點(diǎn)進(jìn)行全站儀邊角檢核測量，并同時采集老宅外圍墻體的房角點(diǎn)、墻面點(diǎn)等特征點(diǎn)。全站儀邊角檢核結(jié)果如表3所示，平面距離較差均小于 15 mm，角度較差小于30″，距離較差的相對中誤差均大于1/4000，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合CJJ/T8-2011《城市測量規(guī)范》規(guī)范要求[10]。

全站儀平面控制點(diǎn)檢核 表3

(3)三維激光掃描測量

本次現(xiàn)場掃描采用FARO S350三維激光掃描儀，布設(shè)方式采用由外向內(nèi)的逐站推進(jìn)，共架設(shè)158站，無靶球靶紙的相鄰測站至少有30%的點(diǎn)云重疊度。因本次掃描的老宅含有前廳、洗手間、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、檐廊、書房、正房等房間，房間數(shù)量眾多。為了詳細(xì)測繪每一處的房屋結(jié)構(gòu)及后續(xù)點(diǎn)云拼接，一般在門前、門下及門后各架設(shè)一站。此外，為了可以掃描到屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，在老宅臨近房屋陽臺處架設(shè)掃描儀，向下進(jìn)行掃描，通過在地面上布設(shè)3個以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征點(diǎn)將陽臺上的測站與地面測站聯(lián)系起來。

(4)點(diǎn)云拼接

采用FARO自帶的SCENE點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接操作。SCENE提供了3種點(diǎn)云拼接方法，分別是基于俯視圖注冊、基于云際注冊和基于目標(biāo)注冊?；诟┮晥D注冊適用于無靶球和靶紙的且相鄰測站有30%以上重疊度的測站?；谠齐H注冊是對基于俯視圖注冊拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行精配準(zhǔn)，一般基于俯視圖注冊拼接后的點(diǎn)云效果質(zhì)量差的情況可以使用基于云際注冊來提高配準(zhǔn)精度?；谀繕?biāo)注冊是利用靶球、靶紙及明顯的地物特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，具有速度快、精度高等特點(diǎn)，但不適合通道狹窄的室內(nèi)掃描。本次采用基于俯視圖注冊+基于云際注冊和基于目標(biāo)注冊的組成模式進(jìn)行點(diǎn)云拼接，并利用軟件自帶的過濾工具進(jìn)行點(diǎn)云過濾。拼接后的房屋點(diǎn)云與實(shí)際建筑物形狀基本一致，無明顯的錯層、偏移等問題，如圖4所示。

圖4 拼接后的點(diǎn)云

(5)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用控制點(diǎn)G1、G2、G3對拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并用G4及全站儀采集的墻體特征點(diǎn)作為點(diǎn)云精度檢查點(diǎn)，驗(yàn)證點(diǎn)云坐標(biāo)的精度和可靠性。其中G4、tj為三維檢查點(diǎn)，qt1～qt4為平面檢查點(diǎn)。具體如表4所示，平面較差和高程較差均滿足GB50026-2007《工程測量規(guī)范》工礦區(qū)主要建(構(gòu))筑物平面點(diǎn)位中誤差小于 5 cm，高程中誤差小于 2 cm的要求[11]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢驗(yàn)點(diǎn)精度表 表4

(6)平立剖面圖繪制

對轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行橫剖、縱剖處理，再結(jié)合三維激光掃描儀在掃描時拍攝的全景照片全方位無遺漏地繪制出老宅的平面圖、立面圖、屋頂投影圖、東西剖面和南北剖面圖，分別如圖5～圖9所示。

圖5 總平面圖

圖6 立面圖

圖7 屋頂投影圖

圖8 東西剖面圖

圖9 南北剖面圖

4 結(jié) 論

三維激光掃描測量作為新型測繪技術(shù)的一種，具有高精度、大范圍、免接觸等的特點(diǎn)，近年來被逐漸應(yīng)用到測繪行業(yè)中。老宅改造作為歷史建筑物保護(hù)工作，需要全方位、無遺漏地還原建筑結(jié)構(gòu)?；谌S激光掃描技術(shù)特點(diǎn)，本文詳細(xì)闡述了三維激光掃描技術(shù)原理和在老宅改造過程技術(shù)流程，結(jié)合實(shí)際案例總結(jié)了一套適用于老宅改造測量的技術(shù)方案，為以后的古建筑物保護(hù)工作提供了很好的參考價(jià)值。