1 引言

　　三维激光扫描技术,作为 20 世纪 90 年代中期开始出现的一项高新技术,具有速度快、效益高、实时性强等特点,有效解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶.因此,它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段.国内 21 世纪初,三维激光开始被应用于古建筑测绘领域,如用于故宫修复测绘、和数码相机相结合对古建筑物进行快速三维重建等,实现古建的数字化存档,为研究中国古建筑史和建筑理论提供重要资料[1],也对发扬古建筑文化具有重要的社会意义[2].从研究成果中可以看出,与其它技术手段集成使用,三维激光在古建筑保护中相对于传统测绘手段而言更显示出其独特的、无法取代的优越性.然而,由于建筑本身的特性以及技术本身的局限性,也使得三维激光用于古建筑测绘存在一定的缺陷,因此我们有必要在前人的基础上,进一步研究三维激光用于古建筑测绘的特点,及其存在的问题,并提出初步的改进方法.

　　2 三维激光扫描原理与数据获取

　　2.1 三维激光扫描数学原理(如图 1 所示)

　　测量时,按激光脉冲所测的空间距离;再根据水平向和垂直向的步进角距值,计算出扫描点的三维坐标.

　　2.2 扫描数据处理

　　采用徕卡三维激光扫描仪获取点云数据,利用其配套的后处理软件 Cyclone,采用边界曲面自动拟合技术进行规则物体的自动建模,不规则曲面将其导入到不规则曲面建模软件中,不规则曲面建模软件运用逆向工程技术对曲面进行建模.其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下,直接从成品分析,推导出产品的设计原理.

　　3 三维激光技术应用于古建筑保护实例

　　3.1 古建筑的结构特征

　　古建筑是历史政治经济文化的凝聚物,不同时代的建筑见证了不同的政治、文化和审美,不同的民族其建筑也有其独特的风格.中国古建筑在外型上主要由屋顶、屋身和台基三部分组成;建筑的结构有石块和木质,其中 80%以上是木质结构.细部台基、立柱、斗拱和屋顶结构繁杂;门窗天花板形式多种多样,图案栩栩如生.其建筑物内涵极为丰富,因而对保护建筑物这些特征所要求的技术非常高.

　　用三维激光扫描古建筑,其单点向扫描精度达毫米级,且扫描间距可达亚毫米级,因而能将复杂、不规则的古建筑数据完整的采集到电脑中;同时,非接触的测量方式不会对古建筑造成损伤,在技术层面上加强了古建筑的保护力度.因此,三维激光扫描技术用于古建筑保护具有适用性和可靠性.

　　3.2 三维激光扫描在古建筑保护中应用

　　古建筑保护最基础的工作--古建筑测绘,实际是通过三维激光测量取得实地实物的尺寸和数据[4],绘制出一套完整的古建筑三维图,保护由历史建筑、环境要素等构成的物质空间和社会生活等所传达的各种信息的真实性[5],传递其历史、文化、科学和情感.

　　用三维激光测量古建筑,其步骤如下:

　　第一步:古建筑表面数据采集.主要内容有:

　　确定测绘方案,三维激光实地扫描.

　　本实验以徕卡激光扫描系统测量古建筑文物为例,进行了扫描测量.

　　扫描数据如图 2 所示:

　　第二步:内业数据处理

　　建筑物的线划图作为传统建筑测绘的成果之一,是建筑物的基础测绘图件,通过内业测绘获取二维的图件可以表示房屋内部的结构或构造形式、分层情况,及建筑物的相关尺寸(如图 3 所示).

　　第三步:彩色点云数据应用扫描的彩色点云可以发布在互联网上供公众和专业人员浏览,同时,还可以实现基于互联网的量测、标注等(如图 4 所示).

　　第四步:三维建模可以利用三维激光扫描仪配套软件自带的模型库快速建模.也可以通过其他第三方软件不规则曲面建模逆向工程软件进行建模,构建格网模型,再通过纹理映射或是导入到 3D max 中进行贴图(如图5 所示).

　　存储后,数据可用于档案记录、三维可视化及逆向重建[6]等方面,实现三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用.

　　3.3 三维激光扫描用于古建筑测绘解决的关键问题

　　能自动识别点云数据中的建筑物特征,并提取特征面,自动拟合成建筑三维模型,根据采集的物体的空间点云数据,能够提取建筑物的平面图、立面图和剖面图等线划图,解决古建筑设计图纸丢失,古建筑无法修补的问题.

　　根据点云数据重建的三维模型和提取的线划图,能够将古建筑或文物还原其本来面貌,能够使文物数据永久保存.与传统测绘相比,基于三维激光扫描技术的空间信息获取具有如下优点:

　　1.能够快速全方位的获取实体的空间信息.利用传统的测绘技术测绘实体的长宽高等参数,需要进行对无数个点进行测量,而采用三维激光扫描技术,能够直接获取实体的三维空间信息,可直接在获取的点云数据上进行量算.

　　2.全自动的空间信息获取.传统的全站仪等仪器的测绘,全程需要人工干预,而三维激光扫描技术仅需在开始时选好地点,设置好一起即可自动获取所需的空间信息.

　　3.空间信息获取效率高.三维激光扫描获取的点云数据,十几分钟即可获取实体的上十万个点的信息,对于不规则的古建筑文物,这一特点是采集古建筑文物空间数据信息不可或缺的手段.而采用传统的测绘技术,获取这么多点的工作时间将会相当长,将测绘的点绘制到图上更是一件无法想象的事情.

　　4.非接触式扫描,更好的保护了文物的完整性.

　　综上所述,在古建筑文物保护中,三维激光扫描技术能够解决传统测绘所不能解决的问题.

　　4 结束语

　　从三维激光扫描技术在古建筑文物保护的应用实例方面可以看出,三维激光技术由于其测量时间短、测量精度高、处理数据自动化以及其点云可用于深层次的模型重建被广泛应用于古建筑的保护中.但是由于三维激光技术本身的缺陷以及数学处理模型的不完善,使得在古建筑保护中其适用性和可靠性并不能达到最佳.这就要求我们继续深入研究和改进三维激光测量和处理技术,期待三维激光技术更深入应用于古建筑方面,并应用于其他领域.

　　参考文献:

　　[1] 余明,丁辰,过静珺. 激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J]. 测绘科学,2004.10: 69-70.

　　[2] 林观土,罗鸿辉,李红伟. 全站仪在古建筑测绘中的应用研究[D]. 广东水利电力职业技术学院学报,,2009: 65-67

    [3] 李长春,薛华柱,徐克科.三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现[J].河南理工大学学报:自然科学版,200804:193-199.

　　[4] 廖小辉,李燕,胡云世,叶国华. 古建筑保护测绘方法的研究[J]. 测绘通报,(2008)12: 045-046.

　　[5] 何玮. 古建筑的保护与修复[J]. 工程建设,(2008)06: 033-035.

　　[6] 丁宁,王倩,陈明九. 基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望[J]. 山东建筑大学学报,(2010)03: 274-276.