三維激光掃描儀在古建筑測繪的應(yīng)用

1、引言古建筑的藝術(shù)價值' 文化價值及歷史價值較高，是中國幾千年來的文化 沉淀和勞動人民智慧的結(jié)晶。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對古文物建筑保 護(hù)的重視度日益提升，在古建筑保護(hù)中，古建筑測繪是一一項(xiàng)基本工作，具 有深遠(yuǎn)的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)采 集的手段和方法不斷創(chuàng)新，三維激光掃描儀產(chǎn)生。作為空間數(shù)據(jù)獲取的有 效手段，它能夠?qū)κ挛锏目陀^事實(shí)進(jìn)行迅速的反映，對古建筑的測繪具有重 要作用。1三維激光掃描儀和古建筑測繪1.1三維激光掃描儀的測量原理三維激光掃描儀是新興的測量技術(shù)，能夠?qū)Υ蠓秶鷧^(qū)域的信息進(jìn)行高精 度、直接、快速以及全天候的采集，它利用激光測距的原理，通

2、過點(diǎn)云集密 集的目標(biāo)物表面的紋理信息、反射率和三維空間坐標(biāo)對其空間進(jìn)行三維記 錄。古建筑測繪是將測繪學(xué)直接應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，對建筑遺產(chǎn)進(jìn)行記錄、監(jiān)測和保護(hù)。在古建筑保護(hù)中，對保護(hù)對象進(jìn)行完整的測繪并存 檔，為日后的修復(fù)和重建提供參考依據(jù)是最基本的工作任務(wù)。傳統(tǒng)的古建筑 測繪所用到的測量工具是垂球、直尺和角尺等，最終獲取的數(shù)據(jù)多用圖紙和 文字記錄，對古建筑的現(xiàn)狀和尺寸表達(dá)不準(zhǔn)確，也容易出現(xiàn)遺漏，對后期 的工作產(chǎn)生不利影響，造成資源的浪費(fèi)。2古建筑測繪中三維激光掃描儀應(yīng)用的誤區(qū)1.1 對三維激光掃描儀的精度認(rèn)識存在誤區(qū)誤差和錯誤不同，錯誤可以避免而誤差是不可避免的。在多數(shù)情 況即使多次重復(fù)的

3、概念，精度下，物體的真實(shí)值無法知道，測量只是對某個量真值的描述, 測量的平均值也只是接近真值。而精度和誤差又是兩個不同 是在測量中誤差分布的程度，即為概率；誤差是測量值和真實(shí)值的差異。測量的精度高僅說明測量中誤差分布的大小較為集中，并不是測量的誤差值。在古建筑測繪中，數(shù)據(jù)的獲取和二維線劃圖的精度，不僅受掃描儀精 度的影響，點(diǎn)捕捉的誤差、點(diǎn)云的厚度的因素也會對其造成影響。因此， 在應(yīng)用三維激光掃描儀進(jìn)行古建筑測繪時，不能過分相信儀器的精度，應(yīng) 當(dāng)對誤差產(chǎn)生的來源進(jìn)行細(xì)致的 分析，從而確定結(jié)果的實(shí)際精度。2. 2在測繪中不分對象追求高精度測繪的目的是對事物的本質(zhì)規(guī)律通過數(shù)據(jù)進(jìn)行揭示。測繪的數(shù)據(jù)雜亂

4、，隱藏著事物的內(nèi)部規(guī)律。對繁亂的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理后才能對其中隱藏的信息和規(guī)律進(jìn)行解讀。揭示事物的內(nèi)部規(guī)律是測量數(shù)據(jù)的原則，而過高的測量精度卻掩蓋了規(guī)律性,反而對測繪數(shù)據(jù)的處理造成不利影響加了數(shù)據(jù)處理的難度和復(fù)雜性；測量的精度過低又無 法反映事物內(nèi)部的規(guī) 律。在平面圖的繪制中，一般要求測繪的精度達(dá)到5mm即可，精度過低 無法反映對象的本來面目，精度過高則是對資源的浪費(fèi)。因此，在進(jìn)行古建 筑測繪時，應(yīng)當(dāng)對其內(nèi)部的規(guī)律進(jìn)行 分析，從而確定測量的精度。2. 3儀器代替手工測繪三維激光掃描儀在古建筑測繪中的應(yīng)用，極大的提高了測繪的精度， 特別是對于大尺寸的建筑。而對于屋檐、門窗等細(xì)小構(gòu)建的測量，由于掃

5、描的分辨率和掃描精度的限制，利用三維激光掃描儀進(jìn)行測繪無法達(dá)到精 度要求；同時，利用三維激光掃描儀進(jìn)行測繪，只能對有效距離內(nèi)能夠直 觀感受到的物體進(jìn)行掃描，對于不易看見的物體采用掃描儀進(jìn)行測繪，則 會大大增加測繪的工作量；而且，相對誤差用于衡量長度測量的誤差，在細(xì) 小構(gòu)建的測繪中，相對于儀器測繪，手工測繪的精度更高。因此，在古建筑的測繪中，儀器測繪是對手工測繪的有效 補(bǔ)充，而不能取代手工測繪。3古建筑測繪中三維激光掃描儀的應(yīng)用測繪實(shí)例：本次測繪以某文物考古研究所對福建武夷山市某祠堂利用三 維激光掃描儀進(jìn)行測繪為例（如圖1） o該儀器掃描速度可達(dá)5萬點(diǎn)/s,理 論上最大測繪值為300m,掃描精度

6、可達(dá)2mm,內(nèi)置攝像機(jī)像素為500萬，可 對測繪目標(biāo)的影像進(jìn)行同步記錄，為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理提供參考依據(jù)。3.1對古建筑的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集由于受到掃描盲區(qū)' 物體遮擋等因素的影響，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時采取 多方位' 多測站的方式進(jìn)行掃描。首先，對測量標(biāo)靶和測站的位置和數(shù)量進(jìn) 行確定。測量標(biāo)靶的位置依據(jù)“服務(wù)于下一個測站”的原則進(jìn)行確定，盡量 達(dá)到“多站兼顧”的效果，盡可能讓多個測站能夠?qū)?biāo)靶的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 從而降低后期數(shù)據(jù)處理的誤差；測站的位置和數(shù)量則根據(jù)測量對象的數(shù)據(jù) 需求、復(fù)雜度' 外觀及大小進(jìn)行確定。本次測量中測量標(biāo)靶和測站各設(shè)置8 個,在設(shè)好測站和測量標(biāo)靶后，根據(jù)測量對

7、象的采光情況和特征進(jìn)行掃描儀曝 光度和精度的確定，讓后進(jìn)行建筑的數(shù)據(jù)采集。3. 2對獲取的測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理由于受到現(xiàn)場實(shí)體間遮蔽和現(xiàn)場視角等因素的限制，在統(tǒng)一測站內(nèi)三 維激光掃描儀無法獲得建筑全面的空間數(shù)據(jù)信息，因此，需要對建筑物進(jìn) 行多視角掃描，并將得到的各個視角的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，然后轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中，此過程為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。從而滿足(1)中目標(biāo)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換矩陣R、T和平移矢量Tof (R, T)=min刀Rx pi + T qi 2 (1)其中，需要變換的點(diǎn)云用pi和qi表示，從(1)中可以 看出，其核心為求得坐標(biāo)的變換參數(shù)，即旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矢量T。受到測量對象被遮擋'

8、 行人和車輛等的影響，在利用三維激 光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時會產(chǎn)生少量不規(guī)則' 不清晰的點(diǎn)云，稱之為噪點(diǎn)。 后期CAD繪制圖形以及計(jì)算機(jī)的存儲器和系統(tǒng)資源都會受到噪點(diǎn)的影響， 因此，需要對噪點(diǎn)進(jìn)行處理。3. 3利用CAD生成測繪圖紙古建筑測繪的目的是進(jìn)行古建筑真實(shí)、客觀的反映,得到反映古建筑遇原貌的圖紙，并進(jìn)行古建筑數(shù)據(jù)的存檔，因此在測繪時應(yīng)當(dāng)保 障采集數(shù)據(jù)的詳細(xì)度和完整度，為后期的重建和修復(fù)提供可靠的參考依據(jù)。為了使 得點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型得到優(yōu)化，應(yīng)對拼接后的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Cyclone軟件 中進(jìn)行處理，然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型通過Cloudworx插件導(dǎo)入CAD中進(jìn)行切片處理，最后利用CAD根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和切片的特征進(jìn) 行繪圖，得到祠堂的帶點(diǎn)云數(shù)據(jù)的立面圖，隱藏點(diǎn)云后得到最終的立面圖。從工作效率、測量的完整性以及精準(zhǔn)度等方面都具有明顯的優(yōu) 勢。在本次測 繪中，用“球形標(biāo)靶”代替了傳統(tǒng)的“黑白標(biāo)靶”，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)精 度相比之下有了很大的提高，誤差降低。同時，為了提升計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的 能力，采取了 “分組處理、整合拼接”的方式，將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，分 別進(jìn)行拼接和去噪，然后利用CAD進(jìn)行合并。4結(jié)語綜上所述，作物古建筑測繪中的新型技術(shù)手段，三維激光掃描儀由于其高精確度、完整性和效