三維激光掃描技術在古建測繪中應用

作為近幾年發展成熟起來的新型三維測量技術,已逐步應用于古建測繪當中。與傳統古建測繪技術相比,它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有無法比擬的優勢。我們通過測繪實踐,總結出應用三維激光掃描技術進行古建測繪的具體實施步驟,希望對找到該技術在古建測繪中的最佳使用方法有所幫助。
  1、引言
  古建筑延續了歷史文脈,是人類文明的載體。隨著社會的發展,古建筑的價值逐漸受到人們的高度重視。對于古建筑必須采取積極的手段進行保護和利用。保護和利用過程需要對古建筑進行精確的測繪工作,傳統的由建筑師手繪的結構圖和由地面近景攝影測量方法測出的結構圖可以表達建筑的關鍵部位和整體結構,但由于技術手段的局限,難以對古建筑進行快速測繪和對建筑立體空間進行清晰的表達。三維激光掃描技術是二十世紀九十年代中期出現的新型三維測量技術,“點云”是高速激光掃描測量中被測對象的采樣點(離散點)集合,它反映物體或地形表面的陣列式幾何圖像數據。三維點云數據可以通過標準接口可以被各種相關處理軟件系統使用,當各種實體點云數據采集完畢后,應用軟件系統隨即快速計算出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。采集的三維激光點云原始數據還可進行各種后處理工作,如:測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實等??梢?三維激光掃描技術為古建筑測繪提供了革命性的新途徑,必將成為未來古建測繪必不可少的新技術。  
  2、三維激光掃描技術與傳統古建筑測繪技術的對比分析
  傳統的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸,而獲取的最終資料是“圖樣”(即圖紙)和一些文字記錄。后來又出現利用了近景攝影地方法進行古建筑測繪。近景攝影測量的兩部分工作中(攝影及影像處理和制圖)采用的是光學方法和模擬制圖工藝,最終成果是以光學像片表示的影像資料和以紙質形式表示的圖件資料。三維激光掃描技術,它具有快速、精確、多方位的特點,它能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數據,可廣泛應用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。
  與傳統古建筑測繪技術相比,三維激光掃描技術存在明顯的優勢。傳統的古建測繪方法獲得的是“圖樣”,近景攝影測量的最終成果是測繪建筑物平面圖、截面圖、立面圖等。這兩種測繪技術獲得的均是反映建筑物信息的二維平面圖紙,而三維激光掃描技術獲得的數據則是建筑物的三維空間模型,模型中包含了建筑所有結構、細部乃至材質信息。三維激光掃描技術能夠在幾個小時內獲得傳統測繪方式數天或者更長時間都不能獲得的古建信息,相比傳統測繪方法,它節省了時間、人力,大大提高了工作效率。同時,三維激光掃描技術有很強的適用性,在很多復雜的環境中都可以進行測量。此外,三維激光掃描設備通過發射激光束來實現三維坐標的精確獲取,可不依賴輔助光源,實現全天候作業。  
  3、三維激光掃描技術在古建測繪中的應用實踐  
  基于三維激光掃描技術的這些優勢,我們運用該技術在河北省懷來縣雞鳴驛的重點古建測繪中進行了有益實踐。通過這次測繪實踐,我們總結出三維激光掃描技術在古建測繪中的具體實施步驟,希望對找到其在古建測繪中的最佳使用方法有所幫助。安排人員應用三維激光掃描技術進行古建測繪的具體實施的步驟與方法如下:
  第一,劃分三維激光掃描工作組。即在測繪工作初期排定屬于三維激光掃描保護作業模式的作業流程,并詳細分配人員組織安排。主要可分為以下幾組:三維激光掃描操作組,負責測繪儀器的操作及維護;測繪資料記錄組,負責整理、記錄測繪古建的文字紀錄、影像紀錄、掃描死角的建筑構件大樣描繪等,使得測繪工作更加完善,確保收集的古建信息豐富且完整;數據建模組,負責依據收集到的三維坐標數字點云信息,制作效果圖或相應的RP模型;軟件描繪組,負責將模型數字信息導入具有描繪功能的電腦軟件,繪制出完整的古建記錄圖;建檔儲存組,負責將所有古建筑的數字化信息集成統一的資料庫,便于搜索、調用、共享。
  第二,建立古建筑的形體屬性。使用三維激光掃描技術,對古建筑及其周邊環境做整體性的掃描紀錄。即以需要進行測繪的古建筑為中心,向周邊一定范圍推進,并在合理的位置設立掃描站點,再針對構件、結構、雕塑、細節等做精細掃描,并將全部掃描站點利用重復參考坐標系做全景拼接,以獲得完整的歷史地段控件屬性。
  第三,整理、完善原始古建筑信息的保存。對于歷史建筑的保護,最為重要的就是原始信息的保存,做法是對經由三維激光掃描后得到的精確點云數據作重新優化處理并附上色彩屬性,而后依據保存記錄的各項需求,將數字點云建筑模型做分解動作;經由正射切割的三維模型投射到同一平面系統之后,可制作成正射影像或直接導出點云數據,再依據影像和數字點云信息描繪邊緣成為常用二維CAD靜態圖像,如:平面、立面、剖面、大樣等,即可完成對歷史建筑現狀圖面保存記錄。
  第四,建立古建筑數字信息數據庫。將處理完成的數字化信息依據歷史建筑尺度大小、構件屬性、文件格式、媒體類別等分門別類,并在同一虛擬平臺上建立完整的數據庫系統,以輔助工作組間數字信息資料的相互搜尋、查詢、編輯、傳送,如此建立完成后的古建筑數字化信息能被多元化的交互使用。
  第五,制作相應的RP模型。三維激光掃描的點云數據經由RP程序所建構來的實體化模型,在掌握空間尺度后,可以檢測歷史建筑的變形量、沉陷量、偏移量,同樣的方式也適用于但以構件或浮雕裝飾,對今后古建筑的修護工作起到重要的作用。
  第六,以掃描所取得的數據為基礎,通過軟件的編輯和適當的顯示接口,可以制作虛擬實境(virtual real-ity)及環場影像(panorama)。通過這種方法可以在人們面前真實地再現歷史建筑及其周邊環境。  
  4、結語 
  三維激光掃描技術運用于古建測繪工作中,為古建筑研究與保護提供了新的手段。它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有傳統測量技術無法比擬的優勢。尤其是它“非接觸式”的測量的手段,不會對傳統古建筑造成損傷,正體現了古建筑保護的核心思想,即讓建筑物在“不改變原狀”的條件下長期健康存在。但要運用三維激光掃描技術,建立一套科學合理的、實踐性強的古建測繪方法,還需要在今后大量的古建測繪實踐中不斷探索。