三维激光扫描技术在古建筑测绘中的关键技术研究

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学术论文专刊

2013 总第 10 期

三维激光扫描技术在古建筑测绘中的关键技术研究

RESEARCH ON KEY TECHNIQUES OF 3D LASER SCANNING TECHNOLOGY USED IN MEASURING TRADITIONAL ARCHITECTURE

张远翼 张鹰 陈晓娟

Zhang Yuanyi, Zhang Ying, Chen Xiaojuan

摘要/利用三维激光扫描技术在古建筑测绘中的辅助测绘优势，以福建省泰宁县全国重点文物保护单位之明代古建筑“尚书第”为例，进行3个层面关键技术问题研究：1) 从点云数据的采集、点云数据的拼接、点云数据的去噪，到CAD图形的生成和三维空间影像生成等古建筑测绘及数据生成处理中的关键技术问题；2) 针对三维激光扫描技术应用过程中产生的庞大数据量、古建筑构件的细部测绘难点等关键问题提出具体应对策略；3) 基于传统测绘法比较研究验证三维激光扫描仪技术应用于斗栱梁架局部剖面测绘的实际效果。关键词/三维激光扫描技术；古建筑测绘；点云数据；数据库；数据处理

ABSTRACT/ Taking the advantages of aided surveying of 3D laser scanning technology in measuring traditional architecture , this paper studies key technical problems on three levels in this field by using the example of surveying “Shang Shu Di”, a national protected heritage of Ming Dynasty in Taining County, Fujian Province. First, the key technical problem is data generation process from the point cloud data acquisition, the splicing of the point cloud data, the noise eliminating of point cloud data, to the generation of CAD graphics and the generation of 3D space image. Second, the paper proposes specific strategies to cope with the huge amount of data and CAD graphics conversion in the application of 3D laser scanning technology. Finally, the paper presents a comparative study and validation of the practical application results of 3D laser scanning technology used in the partial sectional mapping of bracket set and beam-column comparing with traditional surveying and mapping.KEY WORDS/ 3D laser scanning technology; architectural measuring; point cloud data; database; data processing

传统的古建筑测绘通常使用直尺、卷尺、标杆等测量工具。判读记录全靠肉眼，测量方法多为“以点概面”，即选取少量构件进行测绘而据以推演。这样的测绘结果在相当程度上依赖于测绘人的个人经验和临场判断，且无法准确描绘具体构件，对于建筑开间、进深、梁柱高度、跨度、屋面曲线、翼角起翘等较大的控制尺寸以及变截面异形体(如，各类梁柱构件等)的量取，在完整性和准确性等方面均存在问题。三维激光扫描技术的应用，则可以在精确度、三维虚拟特性及其采集数据完整性等方面，辅助改善传统测绘方式在非规则、复杂的古建筑测绘中存在的耗工、耗时、实测遗漏、错失及无三维虚拟现实等不足。

本研究通过利用三维激光扫描仪对福建省泰宁县全国重点文物保护单位(以下简称：国保单位)之明代古建筑“尚书第”的现场扫描测绘，拟解决三维激光扫描技术在古建筑测绘及其数据化技术应用中的3个关键技术问题：1) 三维激光扫描测绘数据的采集法及其数据处理与成果生成技术；2) 在技术应用层面，针对庞大数据处理问题，在数据分析、处理、保存和提取利用等理念上取得突破, 提出具体应对策略；3) 在三维点云数据的平面CAD图形二维转化技术上，以古建筑复杂细部构件测绘为例，解决从其三维激光扫描之点云数据库提取数据片段进行二维数据转换的关键技术问题，并与传统测绘数据进行比较分析实证三维激光扫描技术辅助应用于古建筑测绘的高效性、完整性和精确性。

1 传统测绘方式在非规则、复杂古建筑测绘中存在的不足

传统的古建筑测绘主要以人工进行单点数据采集和测量古建筑及其构件的二维正投影尺寸，通常采用传统的卷尺、铅垂线、标杆、梯子，也有辅助采用激光测距仪等工具，来获取古建筑及其构件的相关二维数据信息(图1)。传统的古建筑测绘方式操作简单，但就非规则、复杂古建筑测绘的特点及其要求，存着以下不足。

1) 精确度不高，易产生误差。由于受环境因素、测量工具误差、以及测绘人员的分辨率、视觉疲劳、技术熟练程度等因素的影响，很难精确地记录古建筑的尺寸和现状信息。如：对于规模大、复杂的古建筑(通常不是单体建筑，而多为多进式院宅)及其细部构件，各个单体部分分别测出的尺寸与整体测出的尺寸数据往往不吻合，在单体古建筑及其各部细部构件部位尺寸拼接过程中，测量数据往往不能完整闭合，而需要人为进行校正。这些过程将产生实测数据与实物的较大偏差。

2) 精细度不够，，容易造成错失与遗漏。在实际测绘过程中，一些重要的现场信息，如屋顶梁架、斗栱、隔扇、雕花、牌匾及其图样文字等，通常由于位置较高、结构复杂、难以测量，容易发生遗漏和错失等问题，而后期补遗将耗费人力、物力、财力和时间等；有的数据遗漏只会在进行古建修缮或使用数据时方才发现。

3) 复杂度高、耗工耗时。对于有大量古建筑群落及其构成环境的街巷空间而言，由于其长期承受荷载、基础沉降不均、外界

2012国家科技支撑计划课题(2012BAJ14B05)；国家自然科学基金项目(51278123)；福建省自然科学基金项目(2011J01303)；福建省中青年教师科研项目(JA13048)作者单位：福州大学建筑学院(福州，350108)收稿日期：2013-03-28

  本文关键词：三维激光扫描技术在古建筑测绘中的关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。