２０１４年８月 城市勘测 Ａｕｇ．２０１４ Ｎｏ．４ 第４期 文章编号：１６７２－８２６２（２０１４）０４－８－０４ Ｕｒｂａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ 中图分类号：Ｐ２３４．４ 文献标识码：Ｂ 三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用分析 叶晓婷 （宁波市测绘设计研究院，浙江宁波３１５０４２） 摘要：通过对三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究，简要阐述了其技术流程，并结合案例分析了在古建筑 保护应用中的精度、效率及存在的问题。试验结果表明：该技术能满足古建筑测绘成果制作的要求，总结出了该技术 与传统在不同古建筑测绘中各自的优势，对古建筑测绘具有一定的借鉴意义。 关键词：三维激光扫描；点云精度；古建筑测绘 ｌ 引 言 古建筑是历史文化的延续，展现着某一地区发展过 最合理、影像成像最清晰。 ２．２测绘方法 一程中的一些断面，为了给古建筑保护提供准确而又翔实 的资料，需要对其展开精细化测绘，获取古建筑的形状、 大小和空问位置，并以此为基础绘制平面图、立面图和 般而言，采用地面三维激光扫描技术对古建筑 进行扫描时，需要分站架设从而获取古建筑内外部的 点云数据，然后拼接、去噪等步骤获得预处理后的点云 剖面图等¨．２ Ｊ。传统古建筑测绘一般采用全站仪、卷尺 等工具进行人工测量，这种方式不仅费时费力、精度低， 数据，在此基础上绘制古建筑的平面图、立面图、剖面 图及三维模型，应用流程如图１所示： 而且因属于接触式测绘，可能对文物造成二次破坏。２０ 世纪８０年代后逐步兴起的三维激光扫描技术，因其扫 描速度快、安全、无接触，且获取的点云数据精度高、密 度大等特点，给古建筑测绘工作带来新的途径¨３娟 。随 着研究的深人，三维激光技术用于古建测绘的可行性已 被多次论证，但其测绘精度、不足及与传统方法相比的 测绘效率等内容，则研究较少。为此，本文以宁波慈城 清道观古建测绘为例，通过传统方法及三维激光扫描两 种方式分别获取数据并进行处理，着重分析了三维激光 扫描方式在古建测绘中的精度、效率及不足。 图１ 三维激光扫描的应用流程 （１）三维激光扫描 ①控制测量：本实验采用后视定向的方法来拼接 ２ 案例 点云，因此，需要对扫描站点进行控制测量，该测量按 照１：５００地形图测量图根点要求进行。 位于宁波市江北区的慈城，是江南极少数保存较 为完好的古镇，保存了大量的古建筑群，ＲＨ？Ｌ庙、会馆 等，为宁波市最高等级的文化遗产项目。本文选取建 于唐天宝年间的清道观主殿为对象，同时采用三维激 ②点云获取：将激光扫描仪及后视靶标球分别架 设在测站点和后视点上，依次获取古建筑内、外部的点 云数据； ③影像获取：本项目中采用的是ＲＩＥＧＬ ＶＺ一４００ 光扫描技术和传统测量技术进行测绘。 ２．１ 准备工作 激光扫描仪，能够在单站点云扫描完成后自动获取影 三维激光扫描之前需要对测区进行踏勘并收集资 料，掌握测量的重点要点，确保测量工作的顺利开展。 同时，根据测区的特点和项目精度要求，对架设扫描仪 像。此外，还需要对建筑的平、立、剖面不同方向和局 部的拍照，以便给古建筑三维模型提供纹理信息。 （２）数据预处理 点云数据的预处理包括噪声点及冗余数据的剔 除、点云拼接及点云赋色等内容。由于扫描仪自身原 的精确位置予以详细规定，原则上要保障扫描设站数 最小、扫描内容和范围最大、冗余数据最小、靶标设置 收稿日期：２Ｏ１４一ｏ５一ｏ５ 作者简介：叶晓婷（１９６５一），女，高级工程师，研究方向为摄影测量与遥感、激光扫描技术。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０９７１１９２），该项目获得２０１３年度全国测绘科技进步奖一等奖。 １０ 城市勘测 ２０１４年８月 采集的激光点云数据密度大，能清晰地反映扫描对象 的特征，从而满足制作平面图、立面图等成果的需要， 屋顶被隔板遮挡等。 ３．２精度分析 但同时也存在扫描死角。主要有两方面的原因：①扫 三维激光扫描仪单站扫描精度能达到毫米级，但 描仪自身存在一个扫描范围夹角，如本文使用的 ＲＩＥＧＬ ＶＺ一４００扫描仪在垂直方向上的３０。～１３０。，而 古建筑往往建有多重屋檐、天井、小隔间等，空间局促， 因而，易留下扫描死角；②扫描对象被遮挡，这种现象 在古建筑扫描的时有出现，比如外围墙被杂草遮挡，内 序号 Ｘ１／ｍ １ ２ ６０３ ７７４．１７１ ６０３ ７７３．２３４ 本文是通过后视靶标球定向的方法来完成各测站点云 到绝对坐标系的转换。测站及后视点的绝对坐标采用 网络ＲＴＫ与全站仪测量方式获得。本文对案例中建 筑物主要特征点的平面位置精度（中误差）进行了检 查，如表１所示。 表１ 平面位置较差 △ ｍ 一Ｏ．０１０ —０．０２７ 平面位置中误差统计表 图上坐标 ｙ１／ｍ １０６ ８７５．７２４ １０６ ８７６．２８７ 检查坐标 ／ｍ ６０３ ７７４．１３７ ６０３ ７７３．２０９ ｙ２／ｍ １０６ ８７５．８６４ １０６ ８７６．４１０ △置／ｍ 一Ｏ．０３４ －０．０２５ △ｓ／ｍ ０．０１９ ０．０３７ ３ ４ ５ ６ ７ ６０３ ８ｏ４．７ｌ３ ６０３ ７９９．８２６ ６０３ ７９９．３０１ ６０３ ７９０．３３１ ６０３ ７９１．１８７ １０６ ８９８．７６４ １０６ ８９２．２８２ １０６ ８９１．５８６ １０６ ８８０．３４５ １０６ ８８１．７１９ ６０３ ８０４．６２８ ６０３ ７９９．７５６ ６０３ ７９９．２３３ ６０３ ７９０．２８３ ６０３ ７９１．１２４ １０６ ８９８．８９５ １０６ ８９２．４４７ １０６ ８９１．７５０ １０６ ８８０．５００ １０６ ８８１．８８９ －０．０８５ －０．０７０ —０．０６８ 一Ｏ．Ｏ４８ －０．０６３ －０．０１９ Ｏ．０１５ ０．０１４ ０．００５ Ｏ．Ｏ２０ ０．０４０ ０．０２５ ０．０２３ ０．００５ Ｏ．Ｏ２４ ８ ９ １０ １１ ｌ２ ６０３ ７８７．２５４ ６０３ ７８６．６００ ６０３ ７９７．７７４ ６０３ ７９３．０１２ ６０３ ７９２．２３１ １０６ ８７６．７１２ １０６ ８７６．０２２ １０６ ９０４．１６５ １０６ ９０７．５８７ １０６ ９０８．２３４ ６０３ ７８７．２２０ ６０３ ７８６．５５９ ６０３ ７９７．６８６ ６０３ ７９２．９３４ ６０３ ７９２．１５６ １０６ ８７６．８６６ １０６ ８７６．１７４ １０６ ９０４．３３２ １０６ ９０７．７４４ １０６ ９０８．３８７ －０．０３４ －０．０４１ －０．０８８ －０．０７８ －０．０７５ ０．００４ ０．ｏｏ２ Ｏ．０１７ ０．０ｏ７ ０．００３ ０．０１６ ０．００９ Ｏ．Ｏ４２ ０．０２９ ０．０２５ 最大较差／ｍｍ ０．０９０ 最小较差／ｒａｍ 中误差／ｍｍ ０．０３４ ±０．０６４ 从表中可以看出，利用ＶＺ一４００扫描仪获取的建筑 可忽略不计，点云成果绝对精度主要取决于控制测量精 度；因此，可以采用提高控制测量的等级，同时，在扫描 测站之间采用公共标靶的方式拼接点云以减少控制测 物主要特征点的平面中误差为±Ｏ．０６４ ｍ，满足古建筑 ｝贝０绘的精度要求。三维激光点云及其成果的数学精度 主要受三方面的影响，首先是扫描仪的测角和测距精度 量点的方法来提高激光点云的绝对精度。 ３．３效率分析 等仪器精度影响，其次是控制测量精度，最后是点云数 据拼接、配准等数据处理的误差影响。一般情况下扫描 本文通过与传统人工测绘方式的比较，统计了基 于三维及激光扫描方式的测量效率统计，如表２所示： 表２ 传统手工测量技术 仪自身测量精度可达到毫米级，对点云成果精度的影响 对比项 三维激光扫描数字化测量技术 以案例四为例激光数字化测量技术与传统测量技术对比 现场工具 ＲＩＥＧＬ ＶＺ４００扫描仪（脚架）、靶标、全站仪、棱镜、电脑、 皮尺、钢尺、铅锤、细线、人工记录、辅助工具如竹竿、梯子或搭设的测量 发电机 架子 案 受测绘文物本体周围环境制约，视线影响较高，不可避 比较灵活，但受文物本体自身体量制约较大，如建筑室内外空间大、高， 例 工作环境 免地出现死角，即使搭架子也对架子的稳定性有一定要 则无法测量到顶部，支梯或搭架子对建筑本体安全又会产生威胁，人员 古 四 求，但不受光线影响 安全也难以得到保障 建 外业工作 １天／３人 筑 测 内业工作 ２５天／３人 绘 ３天／５人 １４天／５人 工作人员 具有测绘学知识、三维制作经验，不熟悉操作软件和古 具有古建筑测绘的相关理论和实践经验（大三学生） 建筑理论 成果数据 ①原始点云数据；②原始影像数据；③平、立、剖面图；④ ①原始手稿精细三维模型 ；②照片；③平、立、剖面图 从表２可以看出，基于三维激光扫描数字化测量 技术的总工作量为７８人工天，基于传统手工测量技术 的总工作量为８５人工天。前者外业工作大为减少，后 者内业处理略微减少。但从人员构成和软件成熟度来 第４期 叶晓婷．三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用分析 看，前者效率提高的空间要远远大于后者。 古建筑测绘具有一定的借鉴意义。 参考文献 基于三维激光扫描的古建筑数字重建和基于传统 手工测挺技术的古建筑测绘两种技术优劣性不是绝对 的，会随着测绘对象的不同而变化。导致这种现象的 原因是测绘对象的复杂度。如果我们把建筑空间局 促、低矮破败、不规则、成片相连、内部陈设多而杂乱、 ［１］ 王莫．三维激光扫描技术在故宫古建筑ｊ９ｌＩＩ绘中的应用研 究［Ｊ］．故宫博物院院刊，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 斗拱等术结构复杂视为建筑复杂度高，相反，建筑高 大、内部空旷、陈设少而有序、独立成栋、斗拱等木结构 简单视为建筑复杂度低。 『Ｊ］．Ｊ Ｐｅｔｒｏｌ Ｔｅｃｈ，１９９３，１０９３：１１０１． ［３］ 周立，李明，毛晨佳等．三维激光扫描技术在古建筑修缮 测绘中的应用『Ｊ］．上海建设科技，２０１１（４）：４７～４８． ［４］ 刘春，陈华云，吴杭彬．激光三维遥感的数据处理与特征 提取［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０：２９～３８． ［５］ 余明，丁辰，过静琚．激光三维扫描技术用于古建筑测绘 的研究［Ｊ］．测绘科学，２００４，２９（５）：６９～７０． ［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，２０１０，２５（３）：２７５～２７６． ［７］ 马立广．地面三维激光扫描测量技术研究［Ｄ］．武汉：武 汉大学，２００５． ４ 结 语 本文阐述了三维激光扫描技术应用于古建筑保护 的技术流程，并以宁波慈城清道观为基础，分析了该技 术获取的点云数据的精度、效率以及在实际古建筑测 绘中存在的问题。通过验证，三维激光扫描技术能很 好地应用于古建筑的平面图、立面图、剖面图及三维模 型制作中，且精度满足古建测绘要求，此外，还总结出 了该技术与传统在不同古建筑测绘中各自的优势，对 ［８］ 龚卫光，龚建江．ＲＩＥＧＬ三维激光扫描技术应用于卡拉 水电站坝址区的三维纹理模型制作［Ｊ］．大坝与安全， ２０１０．４：４０～４２． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｙｅ Ｘｉａｏｔｉｎｇ （Ｎｉｎｇｂｏ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ ３ １ ５０４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ａｎｃｉｅｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｅ— ｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｃｉｅｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｅ— ｃｕｒａｃｙ，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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：３ Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ；ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ａｃｃｕｒａｃｙ；ａｎｃｉｅｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ 武汉市勘察设计有限公司取得工程勘察综合类甲级资质 （本刊讯）按照《市人民政府办公厅关于印发武汉市市属勘察设计类事业单位转企脱钩实施方案的通知》（武职办 ｌ２０１１］１７５号）文件精神，武汉市勘测设计研究院更名为武汉市测绘研究院，出资成立了具有独立法人资格的全资子公 司——武汉市勘察设计有限公司，承担原武汉市勘测设计研究院的岩土、桩基施工等市场化职能。２０１４年７月３日，原 武汉市勘测设计研究院工程勘察综合类甲级资质顺利变更到武汉市勘察设计有限公司，资质所涉及的相关专业技术人 员、主要技术设备、相关工程业绩、业务成果、后继技术服务及法律责任均由武汉市勘察设计有限公司承继。 武汉市勘察设计有限公司可提供的服务范围涵盖岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程咨询、工程勘察监理、岩土测 试检测监测及工程物探、水文地质勘察、工程测量、地质灾害评估、地质灾害治理勘查设计、地质灾害治理施工、地基基础施 工、基坑工程施工、土石方施工及岩土工程软件服务等，并延伸覆盖至建设工程管理咨询、工程项目管理和运行管理领域。 武汉市勘察设计有限公司将一如既往、再接再厉，继续为广大新老客户提供高效优质的勘测服务。 （武汉市勘察设计有限公司供稿）
