查燕萍，龍北平

（江西省煤田地質(zhì)局 測(cè)繪大隊(duì)，江西 南昌330001）

1 概述

古建筑測(cè)量較為困難，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方式很難滿足測(cè)量要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，錯(cuò)落有致，部分區(qū)域形狀不規(guī)則，測(cè)量難度大；② 傳統(tǒng)的測(cè)量方式如全站儀、GNSS等，均需要與測(cè)量目標(biāo)接觸方可測(cè)量，容易對(duì)文物造成損壞；③ 傳統(tǒng)的測(cè)量方式均為“點(diǎn)式”測(cè)量，即一次測(cè)量只能得到一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，很難真實(shí)準(zhǔn)確的反映復(fù)雜的古建筑。因此，在古建筑測(cè)量中，采用新技術(shù)、新方法非常必要。

近年來，三維激光掃描技術(shù)在考古、古建筑建模等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。如天津大學(xué)使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑、文物測(cè)量，并進(jìn)行了三維建模〔1〕；西安某機(jī)構(gòu)對(duì)秦陵兵馬俑二號(hào)坑進(jìn)行掃描，構(gòu)建三維立體模型，實(shí)現(xiàn)了遺址信息的數(shù)字化存儲(chǔ)〔2〕；劉江濤等使用三維激光掃描獲取三星堆遺址的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三星堆一號(hào)坑的三維重建〔3〕。根據(jù)萬壽宮古建筑的特點(diǎn)，決定采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 三維激光掃描原理

采用三維激光掃描進(jìn)行測(cè)量時(shí)，掃描儀內(nèi)部發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖通過兩塊快速有序旋轉(zhuǎn)的反射片反射，并按一定次序掃過目標(biāo)區(qū)域，通過測(cè)量激光從發(fā)射到接受的時(shí)間計(jì)算距離，編碼器測(cè)量脈沖的角度，從而可以計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。三維激光掃描的工作原理見圖1。

三維激光掃描具有非接觸測(cè)量、主動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采樣率高、高分辨率、高精度、數(shù)字化測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，可以配合數(shù)碼相機(jī)獲取建筑物的紋理數(shù)據(jù)；也可以與全站儀、GNSS等傳統(tǒng)測(cè)量方法配合，獲取大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目使用RIEGL VZ－400三維激光掃描儀，儀器精度指標(biāo)與性能見表1。

表1 RIEGL VZ－400三維激光掃描儀參數(shù)指標(biāo)

3 基于三維激光掃描的古建筑群測(cè)量

3.1 工程概況

萬壽宮坐落于南昌市區(qū)西南隅象湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)，是著名的道教圣地。本次測(cè)量繪制出掛有南昌市文物保護(hù)建筑牌的古建筑群（16棟）的總平面圖，各單體建筑的平面、立面及剖面圖，并配有實(shí)拍圖片。

3.2 控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

首先進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘，主要任務(wù)是了解測(cè)區(qū)的基本情況，收集測(cè)區(qū)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)三維激光掃描的作業(yè)要求，劃分掃描作業(yè)面。

為了將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，需要布設(shè)控制點(diǎn)、掃描站點(diǎn)和標(biāo)靶。布設(shè)時(shí)，需要充分考慮傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器（全站儀、GNSS）的測(cè)量要求；同時(shí)掃描站點(diǎn)需要選擇在點(diǎn)位穩(wěn)定、地勢(shì)平坦的地方，到測(cè)量目標(biāo)的距離要適中且需要盡可能掃描較大的范圍，與測(cè)量目標(biāo)之間無遮擋；標(biāo)靶布設(shè)在掃描重疊區(qū)域，需布設(shè)三個(gè)或以上標(biāo)靶，并不能在同一直線上。

采用JXCORS－RTK全站儀等方式按照導(dǎo)線測(cè)量的要求進(jìn)行控制點(diǎn)、掃描站點(diǎn)測(cè)量；標(biāo)靶坐標(biāo)可以采用全站儀進(jìn)行測(cè)量。

3.3 三維激光掃描

為了將三維激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，掃描時(shí)常采用兩種方法：后視定向法和標(biāo)靶擬合法。本項(xiàng)目測(cè)量時(shí)，兩種方法結(jié)合使用。采用后視定向法掃描，與全站儀測(cè)量的過程相同，在已知控制點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描儀，對(duì)中整平后進(jìn)行后視定向，然后即可開始掃描工作。采用標(biāo)靶擬合法掃描時(shí)，首先任選一處架設(shè)三維掃描儀器，并同時(shí)布設(shè)標(biāo)靶三個(gè)以上，為保證精度，標(biāo)靶的位置距離三維掃描儀器約30m左右，避免標(biāo)靶在同一水平面上或者在一條直線上；然后利用全站儀測(cè)量標(biāo)靶坐標(biāo)，同時(shí)利用三維掃描儀掃描地形點(diǎn)坐標(biāo)；最后對(duì)標(biāo)靶坐標(biāo)進(jìn)行精掃描，獲取標(biāo)靶的精確坐標(biāo)（小于3mm），由此即可將三維掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。

三維激光掃描時(shí)，盡可能避免人員走動(dòng)，減少異常點(diǎn)的出現(xiàn)。需要設(shè)置合適的分辨率，保證數(shù)據(jù)既不缺失，又不過度冗余，分別設(shè)置水平與垂直掃描分辨率，規(guī)則區(qū)域可以采用低分辨率掃描，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)采用高分辨率掃描。需要對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行精細(xì)掃描，獲取高精度的坐標(biāo)，提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度。測(cè)站掃描完成后需要現(xiàn)場(chǎng)檢查掃描數(shù)據(jù)是否能滿足項(xiàng)目要求，并對(duì)掃描數(shù)據(jù)命名和記錄，包括測(cè)站名稱、掃描順序、掃描時(shí)間、掃描分辨率等信息。

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)整合、圖形繪制和建模等內(nèi)容。首先根據(jù)測(cè)站數(shù)據(jù)和標(biāo)靶數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換，將點(diǎn)位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下。采用儀器自帶RiSCAN PRO軟件完成點(diǎn)云拼接工作，首選在測(cè)站掃描重疊部分選取三個(gè)以上的同名標(biāo)靶進(jìn)行粗拼接，然后軟件自動(dòng)構(gòu)面并計(jì)算兩測(cè)站之間的轉(zhuǎn)換矩陣，完成拼接工作。拼接完成后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中標(biāo)靶的自由坐標(biāo)和實(shí)測(cè)的標(biāo)靶坐標(biāo)，設(shè)置參與計(jì)算的控制點(diǎn)和轉(zhuǎn)換精度，軟件可以自動(dòng)匹配坐標(biāo)，計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣，將自由坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)。

經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)平滑和壓縮等工作，為圖形繪制和三維建模提供原始數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以方便地進(jìn)行平面圖、立面圖的繪制，并可以進(jìn)行三維建模，準(zhǔn)確反映古建筑的真實(shí)狀況。

4 三維激光掃描精度檢核

4.1 標(biāo)靶精度檢核

選擇部分未參與轉(zhuǎn)換計(jì)算的標(biāo)靶檢核三維激光掃描的精度，共計(jì)檢查56點(diǎn)，結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)靶平面精度統(tǒng)計(jì)

4.2 免棱鏡全站儀精度檢核

以布設(shè)的控制點(diǎn)位起算點(diǎn)，使用免棱鏡全站儀對(duì)部分關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行精度檢核，結(jié)果表明，三維激光掃描的精度較高，以免棱鏡全站儀成果作為真值，計(jì)算三維激光掃描的精度，平面位置中誤差為±4.2cm，高程中誤差為±5.3cm，精度較高，可以滿足古建筑測(cè)量的精度要求。

5 結(jié)語

在南昌萬壽宮古建筑測(cè)量項(xiàng)目中，采用三維激光掃描技術(shù)，順利地完成了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了平面圖、立面圖的繪制和三維建模。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，極大的方便了測(cè)量工作。目前，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在竣工測(cè)量〔4〕、礦山變形監(jiān)測(cè)〔5〕等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度的提高，地面三維激光掃描將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

〔1〕白成軍.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用及相關(guān)問題研究〔D〕.天津：天津大學(xué)碩士論文，2007.

〔2〕宋德聞，胡廣洋.徠卡HDS應(yīng)用于秦俑二號(hào)坑數(shù)字化工程.測(cè)繪通報(bào)〔J〕.2006，（6）：69－70.

〔3〕劉江濤，張愛武.三維數(shù)字化技術(shù)在三星堆遺址中的應(yīng)用.首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（4）：68－71.

〔4〕胡章杰，薛 梅.基于地面三維激光掃描的三維竣工規(guī)劃核實(shí)技術(shù)研究〔J〕.城市勘測(cè)，2013，（1）：15－20.

〔5〕陳永劍.地面三維激光掃描系統(tǒng)在露天礦監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究〔D〕.太原：太原理工大學(xué)碩士論文，2009.