三维激光扫描仪在古建筑测绘的应用
三维激光扫描仪在古建筑测绘的应用
引言
古建筑的艺术价值、文化价值及历史价值较高，是中国几千年来的文化沉淀和劳动人民智慧的结晶。随着社会经济的发展，人们对古文物建筑保护的重视度日益提升，在古建筑保护中，古建筑测绘是一项基本工作，具有深远的意义。随着科学技术的不断发展和计算机技术的发展，空间数据采集的手段和方法不断创新，三维激光扫描仪产生。作为空间数据获取的有效手段，它能够对事物的客观事实进行迅速的反映，对古建筑的测绘具有重要作用。
1三维激光扫描仪和古建筑测绘
1.1三维激光扫描仪的测量原理
三维激光扫描仪是新兴的测量技术，能够对大范围区域的信息进行高精度、直接、快速以及全天候的采集，它利用激光测距的原理，通过点云集密集的目标物表面的纹理信息、反射率和三维空间坐标对其空间进行三维记录。
1.2古建筑测绘
古建筑测绘是将测绘学直接应用于文化遗产保护领域，对建筑遗产进行记录、监测和保护。在古建筑保护中，对保护对象进行完整的测绘并存档，为日后的修复和重建提供参考依据是最基本的工作任务。传统的古建筑测绘所用到的测量工具是垂球、直尺和角尺等，最终获取的数据多用图纸和文字记录，对古建筑的现状和尺寸表达不准确，也容易出现遗漏，对后期的工作产生不利影响，造成资源的浪费。
2古建筑测绘中三维激光扫描仪应用的误区
2.1对三维激光扫描仪的精度认识存在误区
误差和错误不同，错误可以避免而误差是不可避免的。在多数情况下，物体的真实值无法知道，测量只是对某个量真值的描述，即使多次重复测量的平均值也只是接近真值。而精度和误差又是两个不同的概念，精度是在测量中误差分布的程度，即为概率；误差是测量值和真实值的差异。测量的精度高仅说明测量中误差分布的大小较为集中，并不是测量的误差值。在古建筑测绘中，数据的获取和二维线划图的精度，不仅受扫描仪精度的影响，点捕捉的误差、点云的厚度的因素也会对其造成影响。因此，在应用三维激光扫描仪进行古建筑测绘时，不能过分相信仪器的精度，应当对误差产生的来源进行细致的分析，从而确定结果的实际精度。
2.2在测绘中不分对象追求高精度
测绘的目的是对事物的本质规律通过数据进行揭示。测绘的数据杂乱，隐藏着事物的内部规律。对繁乱的数据进行一定处理后才能对其中隐藏的信息和规律进行解读。揭示事物的内部规律是测量数据的原则，而过高的测量精度却掩盖了规律性，反而对测绘数据的处理造成不利影响，增加了数据处理的难度和复杂性；测量的精度过低又无法反映事物内部的规律。在平面图的绘制中，一般要求测绘的精度达到5mm即可，精度过低无法反映对象的本来面目，精度过高则是对资源的浪费。因此，在进行古建筑测绘时，应当对其内部的规律进行分析，从而确定测量的精度。
2.3仪器代替手工测绘
三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用，极大的提高了测绘的精度，特别是对于大尺寸的建筑。而对于屋檐、门窗等细小构建的测量，由于扫描的分辨率和扫描精度的限制，利用三维激光扫描仪进行测绘无法达到精度要求；同时，利用三维激光扫描仪进行测绘，只能对有效距离内能够直观感受到的物体进行扫描，对于不易看见的物体采用扫描仪进行测绘，则会大大增加测绘的工作量；而且，相对误差用于衡量长度测量的误差，在细小构建的测绘中，相对于仪器测绘，手工
测绘的精度更高。因此，在古建筑的测绘中，仪器测绘是对手工测绘的有效补充，而不能取代手工测绘。
3古建筑测绘中三维激光扫描仪的应用
测绘实例：本次测绘以某文物考古研究所对福建武夷山市某祠堂利用三维激光扫描仪进行测绘为例（如图1）。该仪器扫描速度可达5万点/s，理论上最大测绘值为300m，扫描精度可达2mm，内置摄像机像素为500万，可对测绘目标的影像进行同步记录，为后期点云数据处理提供参考依据。
3.1对古建筑的数据进行采集
由于受到扫描盲区、物体遮挡等因素的影响，在进行数据采集时采取多方位、多测站的方式进行扫描。首先，对测量标靶和测站的位置和数量进行确定。测量标靶的位置依据“服务于下一个测站”的原则进行确定，尽量达到“多站兼顾”的效果，尽可能让多个测站能够对标靶的数据进行采集，从而降低后期数据处理的误差；测站的位置和数量则根据测量对象的数据需求、复杂度、外观及大小进行确定。本次测量中测量标靶和测站各设置8个，在设好测站和测量标靶后，根据测量对象的采光情况和特征进行扫描仪曝光度和精度的确定，让后进行建筑的数据采集。
3.2对获取的测绘数据进行处理
由于受到现场实体间遮蔽和现场视角等因素的限制，在统一测站内三维激光扫描仪无法获得建筑全面的空间数据信息，因此，需要对建筑物进行多视角扫描，并将得到的各个视角的三维数据进行拼接处理，然后转换到同一坐标系中，此过程为点云数据的拼接。从而满足（1）中目标函数的旋转变换矩阵R、T和平移矢量T。f（R，T）＝min∑［R×pi＋T－qi］2（1）其中，需要变换的点云用pi和qi表示，从（1）中可以看出，其核心为求得坐标的变换参数，即旋转矩阵R 和平移矢量T。受到测量对象被遮挡、行人和车辆等的影响，在利用三维激光扫描仪进行数据采集时会产生少量不规则、不清晰的点云，称之为噪点。后期CAD绘制图形以及计算机的存储器和系统资源都会受到噪点的影响，因此，需要对噪点进行处理。
3.3利用CAD生成测绘图纸
古建筑测绘的目的是进行古建筑真实、客观的反映，得到反映古建筑遇原貌的图纸，并进行古建筑数据的存档，因此在测绘时应当保障采集数据的详细度和完整度，为后期的重建和修复提供可靠的参考依据。为了使得点云数据模型得到优化，应对拼接后的古建筑点云数据在Cyclone软件中进行处理，然后将点云数据模型通过Cloudworx
插件导入CAD中进行切片处理，最后利用CAD根据点云数据和切片的特征进行绘图，得到祠堂的带点云数据的立面图，隐藏点云后得到最终的立面图。
3.4此次测绘的思考
在此次测绘中，采用了三维激光扫描仪，与传统的测绘相比，扫描仪从工作效率、测量的完整性以及精准度等方面都具有明显的优势。在本次测绘中，用“球形标靶”代替了传统的“黑白标靶”，进行数据处理时发现精度相比之下有了很大的提高，误差降低。同时，为了提升计算机数据处理的能力，采取了“分组处理、整合拼接”的方式，将测得的数据进行分组，分别进行拼接和去噪，然后利用CAD 进行合并。
4结语
综上所述，作物古建筑测绘中的新型技术手段，三维激光扫描仪由于其高精确度、完整性和效率高等优势，在古建筑测绘中得到了广泛的应用，在古建筑的保护、修复和重建中具有重要意义。在实际的应用过程中发现，在点云数据转化为CAD图纸的过程中，其自动化程度较低，因此，应当加强相关研究，不断完善和创新测绘技术，促进中国传统建筑理论研究的发展。