葉曉婷

(寧波市測繪設(shè)計研究院,浙江寧波 315042)

三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用分析

葉曉婷?

(寧波市測繪設(shè)計研究院,浙江寧波 315042)

通過對三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用研究,簡要闡述了其技術(shù)流程,并結(jié)合案例分析了在古建筑保護(hù)應(yīng)用中的精度、效率及存在的問題。試驗(yàn)結(jié)果表明:該技術(shù)能滿足古建筑測繪成果制作的要求,總結(jié)出了該技術(shù)與傳統(tǒng)在不同古建筑測繪中各自的優(yōu)勢,對古建筑測繪具有一定的借鑒意義。

三維激光掃描;點(diǎn)云精度;古建筑測繪

1 引 言

古建筑是歷史文化的延續(xù),展現(xiàn)著某一地區(qū)發(fā)展過程中的一些斷面,為了給古建筑保護(hù)提供準(zhǔn)確而又翔實(shí)的資料,需要對其展開精細(xì)化測繪,獲取古建筑的形狀、大小和空間位置,并以此為基礎(chǔ)繪制平面圖、立面圖和剖面圖等[1,2]。傳統(tǒng)古建筑測繪一般采用全站儀、卷尺等工具進(jìn)行人工測量,這種方式不僅費(fèi)時費(fèi)力、精度低,而且因?qū)儆诮佑|式測繪,可能對文物造成二次破壞。20世紀(jì)80年代后逐步興起的三維激光掃描技術(shù),因其掃描速度快、安全、無接觸,且獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高、密度大等特點(diǎn),給古建筑測繪工作帶來新的途徑[3～8]。隨著研究的深入,三維激光技術(shù)用于古建測繪的可行性已被多次論證,但其測繪精度、不足及與傳統(tǒng)方法相比的測繪效率等內(nèi)容,則研究較少。為此,本文以寧波慈城清道觀古建測繪為例,通過傳統(tǒng)方法及三維激光掃描兩種方式分別獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,著重分析了三維激光掃描方式在古建測繪中的精度、效率及不足。

2 案 例

位于寧波市江北區(qū)的慈城,是江南極少數(shù)保存較為完好的古鎮(zhèn),保存了大量的古建筑群,如孔廟、會館等,為寧波市最高等級的文化遺產(chǎn)項目。本文選取建于唐天寶年間的清道觀主殿為對象,同時采用三維激光掃描技術(shù)和傳統(tǒng)測量技術(shù)進(jìn)行測繪。

2.1 準(zhǔn)備工作

三維激光掃描之前需要對測區(qū)進(jìn)行踏勘并收集資料,掌握測量的重點(diǎn)要點(diǎn),確保測量工作的順利開展。同時,根據(jù)測區(qū)的特點(diǎn)和項目精度要求,對架設(shè)掃描儀的精確位置予以詳細(xì)規(guī)定,原則上要保障掃描設(shè)站數(shù)最小、掃描內(nèi)容和范圍最大、冗余數(shù)據(jù)最小、靶標(biāo)設(shè)置最合理、影像成像最清晰。

2.2 測繪方法

一般而言,采用地面三維激光掃描技術(shù)對古建筑進(jìn)行掃描時,需要分站架設(shè)從而獲取古建筑內(nèi)外部的點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后拼接、去噪等步驟獲得預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上繪制古建筑的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型,應(yīng)用流程如圖1所示:

(1)三維激光掃描

①控制測量:本實(shí)驗(yàn)采用后視定向的方法來拼接點(diǎn)云,因此,需要對掃描站點(diǎn)進(jìn)行控制測量,該測量按照1∶500地形圖測量圖根點(diǎn)要求進(jìn)行。

②點(diǎn)云獲取:將激光掃描儀及后視靶標(biāo)球分別架設(shè)在測站點(diǎn)和后視點(diǎn)上,依次獲取古建筑內(nèi)、外部的點(diǎn)云數(shù)據(jù);

③影像獲取:本項目中采用的是RIEGL VZ-400激光掃描儀,能夠在單站點(diǎn)云掃描完成后自動獲取影像。此外,還需要對建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照,以便給古建筑三維模型提供紋理信息。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括噪聲點(diǎn)及冗余數(shù)據(jù)的剔除、點(diǎn)云拼接及點(diǎn)云賦色等內(nèi)容。由于掃描儀自身原因會產(chǎn)生一定的噪聲點(diǎn),同時還需要剔除與古建測繪無關(guān)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過配準(zhǔn),將外業(yè)掃描獲取的單站數(shù)據(jù)歸至同一坐標(biāo)系下,合為一個測區(qū)的整體點(diǎn)云成果;再通過與點(diǎn)云配準(zhǔn)后的影像給點(diǎn)云賦色等內(nèi)容即完成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

(3)數(shù)據(jù)成果制作

目前古建筑保護(hù)需要應(yīng)用到的資料有平面圖、立面圖、剖面圖和三維模型等。其中,平、立、剖面圖采用PointCloud軟件通過特征點(diǎn)、線、面的采集和編輯等來完成(如圖2～圖5所示);三維模型主要采用Geomagic軟件提供相關(guān)工具,并對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動拼接,影像匹配也由該軟件自動匹配。分析和制作建筑的主體幾何結(jié)構(gòu),從而搭建建筑幾何模型,然后將模型導(dǎo)入3ds Max軟件中完成紋理貼圖,即可獲得古建筑的精細(xì)三維模型(如圖6、圖7所示)。其中,個別古建筑區(qū)域有存在點(diǎn)云空洞,采用Geomagic軟件功能填補(bǔ),其主要原理是通過空洞周圍的點(diǎn)進(jìn)行線性或曲面的插值來填補(bǔ)空洞。

圖2 建筑立面圖

圖3 建筑一層平面圖

圖4 建筑二層平面圖

圖5 建筑剖面圖

圖6 基于點(diǎn)云繪制的精細(xì)三維模型

圖7 建筑部件三維大樣

3 案例與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

從外業(yè)數(shù)據(jù)采集情況來看,利用RIEGL VZ-400采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大,能清晰地反映掃描對象的特征,從而滿足制作平面圖、立面圖等成果的需要,但同時也存在掃描死角。主要有兩方面的原因:①掃描儀自身存在一個掃描范圍夾角,如本文使用的RIEGL VZ-400掃描儀在垂直方向上的30°～130°,而古建筑往往建有多重屋檐、天井、小隔間等,空間局促,因而,易留下掃描死角;②掃描對象被遮擋,這種現(xiàn)象在古建筑掃描的時有出現(xiàn),比如外圍墻被雜草遮擋,內(nèi)屋頂被隔板遮擋等。

3.2 精度分析

三維激光掃描儀單站掃描精度能達(dá)到毫米級,但本文是通過后視靶標(biāo)球定向的方法來完成各測站點(diǎn)云到絕對坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。測站及后視點(diǎn)的絕對坐標(biāo)采用網(wǎng)絡(luò)RTK與全站儀測量方式獲得。本文對案例中建筑物主要特征點(diǎn)的平面位置精度(中誤差)進(jìn)行了檢查,如表1所示。

從表中可以看出,利用VZ-400掃描儀獲取的建筑物主要特征點(diǎn)的平面中誤差為±0.064 m,滿足古建筑測繪的精度要求。三維激光點(diǎn)云及其成果的數(shù)學(xué)精度主要受三方面的影響,首先是掃描儀的測角和測距精度等儀器精度影響,其次是控制測量精度,最后是點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接、配準(zhǔn)等數(shù)據(jù)處理的誤差影響。一般情況下掃描儀自身測量精度可達(dá)到毫米級,對點(diǎn)云成果精度的影響可忽略不計,點(diǎn)云成果絕對精度主要取決于控制測量精度;因此,可以采用提高控制測量的等級,同時,在掃描測站之間采用公共標(biāo)靶的方式拼接點(diǎn)云以減少控制測量點(diǎn)的方法來提高激光點(diǎn)云的絕對精度。

3.3 效率分析

本文通過與傳統(tǒng)人工測繪方式的比較,統(tǒng)計了基于三維及激光掃描方式的測量效率統(tǒng)計,如表2所示:

表2 以案例四為例激光數(shù)字化測量技術(shù)與傳統(tǒng)測量技術(shù)對比

從表2可以看出,基于三維激光掃描數(shù)字化測量技術(shù)的總工作量為78人工天,基于傳統(tǒng)手工測量技術(shù)的總工作量為85人工天。前者外業(yè)工作大為減少,后者內(nèi)業(yè)處理略微減少。但從人員構(gòu)成和軟件成熟度來看,前者效率提高的空間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。

基于三維激光掃描的古建筑數(shù)字重建和基于傳統(tǒng)手工測量技術(shù)的古建筑測繪兩種技術(shù)優(yōu)劣性不是絕對的,會隨著測繪對象的不同而變化。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是測繪對象的復(fù)雜度。如果我們把建筑空間局促、低矮破敗、不規(guī)則、成片相連、內(nèi)部陳設(shè)多而雜亂、斗拱等木結(jié)構(gòu)復(fù)雜視為建筑復(fù)雜度高,相反,建筑高大、內(nèi)部空曠、陳設(shè)少而有序、獨(dú)立成棟、斗拱等木結(jié)構(gòu)簡單視為建筑復(fù)雜度低。

4 結(jié) 語

本文闡述了三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護(hù)的技術(shù)流程,并以寧波慈城清道觀為基礎(chǔ),分析了該技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度、效率以及在實(shí)際古建筑測繪中存在的問題。通過驗(yàn)證,三維激光掃描技術(shù)能很好地應(yīng)用于古建筑的平面圖、立面圖、剖面圖及三維模型制作中,且精度滿足古建測繪要求,此外,還總結(jié)出了該技術(shù)與傳統(tǒng)在不同古建筑測繪中各自的優(yōu)勢,對古建筑測繪具有一定的借鑒意義。

[1] 王莫.三維激光掃描技術(shù)在故宮古建筑測繪中的應(yīng)用研究[J].故宮博物院院刊,2011(6):143～156.

[2] Mody F K,Hale A H.Borehole stability model to couple the mechanics and chemistry of drilling-fluid/shale interactions [J].J Petrol Tech,1993,1093:1101.

[3] 周立,李明,毛晨佳等.三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測繪中的應(yīng)用[J].上海建設(shè)科技,2011(4):47～48.

[4] 劉春,陳華云,吳杭彬.激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取[M].北京:科學(xué)出版社,2010:29～38.

[5] 余明,丁辰,過靜珺.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測繪的研究[J].測繪科學(xué),2004,29(5):69～70.

[6] 丁寧,王倩,陳明九.基于三維激光掃描技術(shù)的古建保護(hù)分析與展望[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報,2010,25(3):275～276.

[7] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.

[8] 龔衛(wèi)光,龔建江.RIEGL三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于卡拉水電站壩址區(qū)的三維紋理模型制作[J].大壩與安全, 2010,4:40～42.

Application of 3D Laser Scanning Technology in Historical Buildings Surveying

Ye Xiaoting
(Ningbo Institute of Surveying and Mapping,Ningbo 315042,China)

Based on 3D laser scanning technology in ancient building protection application research,briefly describes the technology process,and analyzes the application of technology in the protection of ancient buildings in the accuracy,efficiency and the existing problems.Experimental results show that the technology can meet the requirements of historical buildings surveying,and summarizes the technology and traditional in different ancient buildings surveying in their respective advantages,which has certain reference to ancient building surveying.

3D laser scanning;point cloud accuracy;ancient building surveying

2014—05—05

葉曉婷(1965—),女,高級工程師,研究方向?yàn)閿z影測量與遙感、激光掃描技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金資助項目(40971192),該項目獲得2013年度全國測繪科技進(jìn)步獎一等獎。