三维扫描技术在古建筑中应用
三维激光扫描仪在古建筑测绘中的应用研究
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第 ３ １ 卷
第 １ 期
２ ０ １ ４年 １月
Ｃ Ｎ１ １ —２ ０ ３ ４ ／ Ｔ
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三维激光扫描技术在文物建筑勘察中的应用
2020年11月上第49卷第21期施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY15DOI：10.7672/sgjs2020210015三维激光扫描技术在文物建筑勘察中的应用**上海市科委科研项目(19DZ1202400)［作者简介］杨三，硕士，E-mail：*********************［收稿日期］2020-08-26杨三(上海市建筑科学研究院有限公司，上海200032)［摘要］以上海市徐汇区白公馆为例，介绍三维激光扫描技术在文物建筑勘察中的应用。
通过图纸测绘得到建筑物平面、立面、剖面图,根据病害检测结果了解建筑物变形、开裂、空鼓等情况，并通过变形测量得到房屋棱线倾斜角度及室外装饰线条相对高差。
实践应用表明，三维激光扫描技术在文物建筑勘察中具有一定优势。
［关键词］文物建筑;勘察;三维激光扫描；图纸测绘［中图分类号］TU7［文献标识码］A［文章编号］1002-8498(2020)21-0015-03Application of3D Laser Scanning Technology inthe Survey of Historic BuildingYANG San(Shanghai Research Institute qf Building Sciences Co.,Ltd.,Shanghai200032,China)Abstract:Taking an example of Bai Mansion in Xuhui District,Shanghai,this paper introduces the application of3D laser scanning technology in the survey of historic buildings.The building's plan, elevation，and section are obtained through drawing surveying.The deformation，cracking，hollowing，etc.of buildings are found through disease detection.And through the deformation measurement,the inclination angle of the house ridgeline and the relative height difference of the outdoor decorative lines are obtained.Practical applications show that3D laser scanning technology has certain advantages in the survey of historic buildings.Keywords:historic buildings;survey;3D laser scanning；drawing surveying0引言受时间及人类活动影响,文物建筑不断受到侵蚀和破坏,在不损伤文物建筑的前提下，使其长久保存已成全球性课题。
三维激光扫描技术在古建筑文物保护中的应用研究
三维激光扫描技术在古建筑文物保护中的应用研究发布时间：2022-10-14T00:45:05.054Z 来源：《工程建设标准化》2022年6月11期作者：商小玮[导读] 在二十世纪九十年代中期，三维激光扫描技术作为一种全新的测绘模式出现。
商小玮上海市测慧信息科技有限公司 200433摘要：在二十世纪九十年代中期，三维激光扫描技术作为一种全新的测绘模式出现。
在我国应用到激光技术测距已经有几十年的历史，伴随着自控技术的发展，非接触式三维激光扫描设备横空出世，为测距工作提供了便利条件。
越来越多的行业应用到三维激光扫描技术，由于三维激光扫描技术所特有的优势，三维激光扫描技术在古建筑文物保护中的应用也越来越广泛，以保护古建筑文物为目的，并且对其保护必须是持续性的，所以在古建筑保护中，因其不接触建筑文物，对文物伤害小的优势，使其在古建文物保护中受到广泛的应用。
关键词：三维激光；扫描技术；古建筑文物；应用研究引言：随着时代的发展进步，三维激光扫描技术也逐渐成熟起来，使得三维激光测量技术越来越多的应用到文物保护工作中。
三维激光扫描技术具有实时性、速度快、实效性更高的特点，因此，它迅速地成为获得空间数据的一种重要技术手段。
我国在二十世纪初，把三维激光扫描技术应用在古建筑测绘中，为古建的档案数字化提供强有力的技术支持，为研究中国的古建筑史和建筑理论提供理论依据，同时也对保护古建筑文物起到重要作用。
1三维激光扫描原理测量时，激光测距仪发射激光并以此为基础；把所测的水平和垂直方向角，距离数值作为依据，并计算出被扫描点的三维坐标。
控制电路板、相机、线结构激光光源、以马达控制的可旋转动仪、相应软件与计算机组成了三维激光扫描测量系统。
把激光光源步进转动，作为步进电机带动线结构的基础，为得到自然物体表面的三维测量数据，激光测距仪发射出激光到自然物体表面，自然物体接收到激光讯号后并反射回去，根据激光传播速度从而进行测距。
2三维激光扫描的特点通过激辐射光放大所得到的光源，就是激光。
三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用
三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用摘要：三维激光扫描技术具备精度高、效果好以及主动性等优势特征，所以近些年被广泛的应用到了建筑仿真、文物保护、古建筑测绘测量等多个领域。
但是，该技术由于发展和应用时间还比较短，所以在古建筑测绘测量中的应用依旧处于初步阶段，还存在很多难点需要进行解决。
三维激光扫描技术运用于古建筑测绘测量工作中，可以说是一种全新的尝试，能够在古建筑测量作业中，缩减消耗的时间，提升工作效率。
关键词：三维激光；扫描技术；古建筑测绘测量应用三维激光扫描技术的推出，是在以往GPS空间定位系统基础上的一次技术突破，其直接打破了以往传统测量的方式，直接激光扫描的形式，可对大面积范围进行高分辨率扫描，并以此形成的三维坐标数据。
近年来，三维激光扫描技术开始被广泛的运用在工程、古建筑测绘测量、建筑和文物保护以及断面体积测量等多个方面。
以往常用的古建筑测绘测量方式主要是CPS-RTK测图以及数字摄影等方式，而采用此类方式所需的工作量普遍较大。
而采用三维激光扫描，则能够实施高密度、高精度以及高速度的测量，减少外业工作时间，提升了测量工作的效率。
1三维激光扫描技术的特点及原理分析三维激光扫描仪类型比较多，通常情况下根据扫描平台的不同，可以将其划分成机载激光扫描系统、便携式激光扫描系统以及地面型激光扫描系统等。
比如，日常测量过程中应用较为广泛的地面型三维激光扫描系统，其实际的工作原理为：三维激光扫描系统由脉冲发射器将脉冲信号发射至表面。
此时物体表面在将脉冲信号漫反射之后，使脉冲信号按照同样的路径返回至信号接收器，从而完成精确计算目标点与扫描仪之间距离的目的。
另外，每一个激光脉冲所产生的横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值都可以由精密时钟编码器进行测量和计算。
三维激光扫描的工作过程主为数据采集、数据预处理、几何模型重建、模型可视化、成果输出等几部分组成。
在这其中数据采集所发挥的作用是为模型的重新构建提供精确的点云数据，从而达到有效降低模型重建复杂程度，促进模型精确度和运算速度的目的；而数据预处理则主要是进行所有点云数据的过滤。
三维激光扫描技术在建筑物中的应用
三维激光扫描技术在建筑物中的应用一、三维激光扫描技术的原理三维激光扫描技术是一种利用激光雷达仪器实现对目标物体进行三维测绘的技术。
其基本原理是激光雷达发射出激光束，激光束照射到目标物体上并被反射回来，激光雷达仪器通过接收反射回来的激光束来计算出目标物体的距离和位置信息，从而实现对目标物体的三维测绘。
通过多次扫描，可以获取目标物体的三维点云数据，再通过数据处理和成像技术，可以得到目标物体的三维模型。
二、三维激光扫描技术的优势与传统的测绘技术相比，三维激光扫描技术具有许多优势。
1. 高效性：使用三维激光扫描技术可以快速获取大量的点云数据，减少了测绘时间和人力成本。
2. 精度高：三维激光扫描技术可以实现对目标物体的毫米级甚至亚毫米级的精确测绘，保证了测绘结果的准确性。
3. 多样化：三维激光扫描技术可以应用于各种不同形状和材质的目标物体的测绘，具有较高的适用性。
4. 无接触性：激光扫描技术可以实现对目标物体的无接触测绘，避免了对目标物体的损坏和破坏。
三、三维激光扫描技术在建筑物中的应用1. 建筑物的立面测绘三维激光扫描技术可以用于对建筑物的立面进行测绘。
通过快速扫描建筑物的外墙，可以获取建筑物立面的详细形状和结构信息，为建筑设计和改造提供精确的数据基础。
这对于一些历史建筑的保护和修复工作具有重要意义，还可以用于改造设计和立面维护等方面。
2. 室内空间的测绘三维激光扫描技术可以用于对建筑物的室内空间进行测绘。
通过在室内进行激光扫描，可以获取室内空间的各种结构信息，包括墙壁、天花板、地面、家具等的位置和形状数据。
这对于室内装修设计、房屋平面图的绘制以及室内环境的改造和评估都具有重要意义。
3. 建筑物的结构监测三维激光扫描技术可以用于对建筑物的结构进行监测。
通过多次扫描，可以实时监测建筑物的位移和变形情况，为建筑物结构的健康状况提供重要数据支持。
这对于大型建筑物如桥梁、高架桥等的安全监测以及古建筑等的保护具有重要意义。
三维激光扫描在古建筑保护中的作用123
三维激光扫描在古建筑保护中的应用研究1 引言三维激光扫描，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，很好的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世纪初叶，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 三维激光扫描与数据处理2.1三维激光扫描数学原理地面三维激光扫描测量系统是由地面三维激光扫描测量仪、后处理软件、电源以及附属设备构成。
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。
通过传动装置的扫描运动，根据设定的扫描范围，完成对物体的全方位扫描；然后进行数据整理，再通过一系列处理获取目标表面的点云数据。
图1 三维激光扫描点云坐标测量原理示意图Fig.1 the graph of mapping point-clouds’ coordinates and 3D-laser scanner 同时，彩色CCD 相机拍摄被测物体的彩色照片，记录物体的颜色信息，采用贴图技术将所摄取的物体的颜色信息匹配到各个被测点上，得到物体的彩色三维信息。
三维激光扫描测量仪原理如图1所示。
三维激光扫描技术通过对激光照射目标获取点云，使得传统的外业测量更多的以数字化的方式转移到室内来进行，明显降低了测量工作的难度和工作量。
测绘技术在古建筑保护中的应用
测绘技术在古建筑保护中的应用古建筑是一座城市历史文化的重要组成部分，也是人们了解历史的窗口。
然而，古建筑的传统保护方式存在一些局限性，如无法实时监测、缺乏精确测量等。
随着科技的不断进步，测绘技术的应用为古建筑保护带来了新的突破。
本文将探讨测绘技术在古建筑保护中的应用，并介绍其在保护方面的优势与作用。
一、三维扫描技术的应用三维扫描技术是测绘技术在古建筑保护中的一项重要应用。
通过使用激光扫描仪或摄影测量仪，可以对古建筑的外观进行全面、精确的测量和记录。
这种技术能够快速获得建筑物的几何数据，并生成真实的三维模型。
通过对这些模型的分析和比对，我们可以准确地了解古建筑的形态、结构等特征，从而为保护和修复工作提供可靠的依据。
二、地理信息系统的应用地理信息系统（GIS）是一种集成了地理空间数据和属性数据，并利用计算机技术进行管理和分析的系统。
在古建筑保护中，GIS可以用于记录和管理大量的古建筑信息，包括建筑的年代、历史背景、文化价值等。
通过GIS系统，我们可以直观地了解古建筑的分布情况，有助于合理规划保护区域。
同时，GIS还可以与其他地理信息进行关联，如土地利用、地形地貌等，为保护工作提供综合参考依据。
三、无人机遥感技术的应用无人机遥感技术是近年来古建筑保护中的新兴应用。
通过搭载相机或其他传感器的无人机，可以对古建筑进行高清晰度照片和视频的拍摄。
这种技术具有高效、灵活和低成本的特点，可以从不同角度和高度对古建筑进行全面的监测和记录。
通过不同时间段的遥感数据对比，我们可以了解古建筑的变化情况，及时发现可能存在的问题，并采取相应的措施进行保护。
四、虚拟现实技术的应用虚拟现实技术是利用计算机图形和模拟技术，通过头戴式显示装置等设备为用户创造一种沉浸式的虚拟环境。
在古建筑保护中，虚拟现实技术可以将古建筑的模型进行三维呈现，让人们身临其境地感受古建筑的魅力。
同时，虚拟现实技术还可以模拟不同的景观和环境条件，帮助研究人员预测古建筑在不同情况下的耐久性，并优化保护方案。
新技术新材料在古建筑保护中的运用
新技术新材料在古建筑保护中的运用古建筑作为人类文化遗产的重要组成部分，具有独特的历史、文化、艺术和科技价值。
为了保护古建筑，人们采用了各种方法和技术，其中新技术和新材料在古建筑保护中发挥着越来越重要的作用。
1.3D扫描技术传统的古建筑修缮和保护工程需要大量的测量、绘图和监测，而3D扫描技术可以快速完成这些工作。
通过对古建筑进行3D扫描，可以获得高精度的三维数码模型，极大地提高了古建筑的数字化水平，同时也方便了后续的修缮和监测工作。
2.无损检测技术古建筑具有复杂的结构和不同的建筑材料，在修缮和保护过程中需要对其进行全面的检测。
传统的建筑检测方法往往需要拆除或破坏建筑结构，而无损检测技术则可以通过非侵入式的方法获取建筑结构和材料的信息。
这种方法不仅可以减少对古建筑的损伤，同时也可以提高检测的准确性和效率。
3.数字化设计和制造技术传统的古建筑修缮和保护工程往往需要手工制作雕刻、造型和装饰元件，这种方法费时费力且易出错。
而数字化设计和制造技术可以通过计算机辅助设计和自动化制造等工艺，实现精准的雕刻、造型和装饰元件的生产，大大提高了古建筑修缮和保护的工作效率和精度。
4.实时监测系统古建筑修缮和保护需要长期的监测和维护，以保证其安全和稳定。
传统的监测方法往往需要人工巡检，不仅费时费力且容易遗漏。
而实时监测系统可以对古建筑进行全天候监测，自动识别异常情况并及时报警。
这种方法不仅能够提高古建筑的安全保障，同时也可以降低监测和维护的成本和工作量。
1.纳米材料古建筑常常遭受自然风化和污染侵蚀，纳米材料可以通过其小尺寸、高比表面积和特殊光学、磁学等性质，提供更好的防腐、防水、防尘和净化效果。
例如，纳米二氧化钛可以通过光催化作用分解空气中的污染物，净化室内空气环境；而石墨烯可以增强古建筑材料的机械强度和导热性能，提高其耐久性和稳定性。
2.复合材料古建筑构造多样，使用的材料也千差万别，复合材料可以通过综合利用不同材料的优点，提供更好的性能和保护效果。
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三维扫描技术在古建筑中的应用摘要：三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。
随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这种技术已经引起了广大科研人员的关注。
作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘等领域里应用。
本文针对三维扫描技术在古建筑中修缮保护中的应用等问题进行了探讨。
关键词：三维激光扫描技术；古建筑保护
前言
随着经济的发展，科技在不断的创新，这些年来，工程测量在工程行业里的应用在不断的拓宽，传统的坐标测量仪器如全站仪，断面仪已满足不了高精度的三维坐标测量，相比较这些传统的测量技术，国际上近期发展的一项高新技术--三维激光扫描技术，这种技术具有极大的优势所在，通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。
作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘等领域里应用。
一、三维激光扫描技术的工作原理
三维激光扫描技术，是通过内部的激光脉冲发射器向目标物发生激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标，信号
接收器接收来自目标体发射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫
描中心的距离，同时扫描控制模块和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
二、扫描数据处理
地面三维激光扫描系统扫描得到的数据是点云数据(points cloud) ，记录了有限体表面上离散点的空间坐标和某些物理参量。
点的表示形式为( x ,y ,z ,intensity ,r ,g ,b) ，不仅包含了点的空间位置关系，还包括点的强度信息和颜色灰度信息。
离散的点云数据并不能够真实准确地表达构筑物的整体模型，为了满足三维建模的需求，首先要对所获得的原始点云数据进行处理，包括数据滤波、坐标系转换、数据配准。
三、三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描系统是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像的测量技术。
它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型，复杂实体的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、、体等各种几何数据，而且它所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。
三维激光扫描技术利用激光的独特的有异性能用作扫描测量，该技术具有非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、
具有高分辨率、高精度数字化采集结构紧凑等特点。
四、三维激光技术应用于古建筑保护实例
1、古建筑特征
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。
采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。
通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。
相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，借助cad便可以制作出用于施工的cad数据图。
2、三维激光扫描在古建筑保护中应用
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trimble gx3d激光扫描系统测量中山纪念堂为例，实
验设置了三个标靶点，测量时仪器 z轴垂直。
第二步：内业数据处理。
主要内容包括：数据转换、点云数据配准、数据建模、实物量测和数据存档。
表 1 标靶点坐标值
第一测站/(mm) 第二测站/(mm)
标靶点 xy z x yz
b13071.923341.951543.87-21461.26 39844.931516.14
b22970.82 -12629.37 1523.50-7676.8331769.841533.19
b3981.71-16874.30 1485.69-4998.8227924.101504.60
根据表 1 计算得其六参数数据转换精度约为±1.2mm。
内业处理软件为：与扫描仪相配套的数据处理软件realworks survey。
在配准模式下，不同测站的点云数据融合在一个坐标系统当中。
在测量模式下，在三维点云图上量取实物尺寸和特征数据；也可以输出到cad中，制作古建筑的平面地图；还可以直接存档点云数据（如图）。
在建模模式下，可以根据已有几何形体对点云建立模型。
三维激光测量数据处理结果仍以点云的形式存档于数据库或者计算机中，结果数据存储文件格式为：*.asc，存储的内容有坐标值、rgb大小及坐标标准差。
存储后，数据可用于档案记录、三维可视化及逆向重建等方面，通过建模技术还原古建筑物原貌，并绘制精确的修缮施工图纸，做到客观、准确地保护古建筑物，充分发挥三维激光扫描技术在古建
筑保护中的应用价值。
因受该建筑物结构复杂、部分观测条件不佳等客观条件影响以及时间和经费的限制，此次中山纪念堂的三维观测数据有欠完整，但成果资料完全能体现三维激光扫描技术的先进性和优越性，我们期待通过后期工作的跟进，能进一步完善本科研成果，更全面地建立中山纪念堂的建筑设计图，并建立完整的三维模型，赋予建筑色彩及强度等因素，全方位地提供建筑物的各项数据。
结论：
本文给出了三维激光扫描技术及其在古建筑测绘方面的应用实例。
可以看出，三维激光技术由于其测量时间短、收集数据广、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，以期三维激光技术更好更深入应用于古建筑方面，更广泛应用于其他领域。
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.
[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.
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