三维技术在历史建筑保护中的应用

第X卷增刊工业建筑2013年X月1三维扫描技术在历史建筑保护中的应用*摘要：三维扫描技术的应用，改变了现在已有的数据采集方式，将三维扫描技术引入到历史建筑保护和研究领域能够弥补传统测绘手段的诸多不足。本文首先对激光三维扫描技术概念进行简单的介绍。然后，阐述了激光三维扫描技术的一般工作流程。第三，对激光三维扫描技术的点云数据的处理流程，进行了分析和研究。最后，通过工程实例，形象地说明了三维激光扫描技术在实际工程中与BIM技术相结合的应用，为历史建筑的保护和研究提出了崭新的思路和解决方案。关键词：三维扫描技术，历史保护建筑，建筑信息模型一、引言不少历史悠久的项目，其原始资料有限，尤其是图纸信息不全、不准确，都给项目的设计、施工带来很大的障碍。而且原始资料中错误的地方甚至会给项目带来安全隐患。随着保护修复的标准要求越来越高，仅仅依靠现在的尺量拍照所获的平面抽象图纸，已经远远不能够满足历史建筑保护的要求，三维激光扫描采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据，从而实现三维重建。三维激光扫描系统主要是由三维激光扫描仪和系统软件组成，能够方便、快速、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，可以方便对模型进行进一步的分析和数据处理。二、三维激光扫描技术介绍（一）激光三维扫描技术测量原理三维激光扫描系统包括三维激光扫描仪、可便携三脚架、线缆、便携电脑及控制装置、定标球及标尺、测控软件、信息后处理软件等。其中三维激光扫描仪的主要构造，包括一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主要功能是发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。三维激光扫描仪整个工作过程为：首先是由激光发射器发射出激光脉冲信号，信号经过旋转棱镜射向目标，然后通过接收器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理得到想要的数据输出。（二）三维激光扫描技术工作流程三维激光扫描技术工作流程一般分为前期准备阶段、点云数据采集、数据处理最终建立模型等几个阶段。大致如下图：第X卷增刊工业建筑2013年X月2（三）外业测试控制点的规划方法由于三维激光扫描仪的工作原理是基于激光测距，因此也决定了在有遮挡的地方，激光无法形成回波，因而无法获取数据，造成数据的缺失，形成点云中的空洞区。这些缺失的数据必须通过搬站多次扫描的方式进行弥补。而架设的站点的数量，决定了外业的工作时间和获取的点云的数据量。由于点云数据是海量数据，每多一站的扫描，不仅带来的是时间上的不经济，会增加外业工作的时间和成本，更多的是大量点云数据的累积，对于后期的数据拼接和处理等增加了工作量，同时也增加了内业的处理时间。因此，要对外业进行合理的规划。（四）三维激光扫描仪外业数据采集步骤三维激光扫描仪外业数据采集可以分为几个步骤：(1)踏勘场地。扫描工作具体实施之前一定要到现场进行信息采集。首先对目标物的轮廓、大体样貌、细节特征、位置情况等进行踏勘。根据项目实施方案的要求、扫描目标体的空间分布、外部形态和内部特征来判断扫描时仪器所需要的精度和分辨率，以及扫描测站数和扫描站点的具体位置，尽量保证扫描区域有公共部分，减少其它物体的遮挡。绘制方案草图，对目标对象和周边环境进行拍照取样。(2)制定扫描计划。制定合理的扫描计划对于后面的扫描工作是必要的。该计划包括站点的位置分布、扫描设备的安装、扫描的方向和定位方式、站点上扫描物体的具体位、各个站点的分辨率等。计划中还要包括扫描的具体工作流程、备案、人员配备情况、检查设备及扫描施工实施方案。(3)布设控制网。控制点的布设在扫描测站开始前，按照扫描测站情况来进行，要保证每一控制点和至少2个其它控制点通视，且控制点通视区域应尽量包含待扫描区域。(4)标靶布设。靶标按作用可分为拼接标靶和控制标靶，拼接标靶用来进行两站的点云数据配准，控制标靶用来纠正点云数据到真实坐标。拼接标靶和控制标靶均需采取较高分辨率的进行扫描，以便能准确地提取靶标中心点。(5)扫描作业。扫描作业采用地面三维激光扫描仪，根据所需目标物的点云密集程度设置相应的扫描分辨率。（五）三维点云的后处理技术三维激光扫描点云特点及其数据处理流程可以用下流程图表示：第X卷增刊工业建筑2013年X月3三、三维扫描技术在某历史保护项目中的应用（一）项目概况该历史建筑总占地约8000平方米，建筑面积29800平方米，共四层，有400间办公室，可容纳数千人办公。大楼样式为欧洲新古典派与巴洛克式的混合，外墙使用花岗石筑成，市民俗称它为“石头房子”，大楼走廊过道和墙壁都采用大理石或者彩色釉面瓷砖，建筑之豪华在当时为远东之最。自1922年11月基本建成后大楼被用作旧上海外国租界的市政府办公楼，解放后成为市政府办公楼，1955年市政府搬至外滩汇丰银行大楼后，成为规划局、卫生局等机关办公处。1989年被公布为上海市优秀历史建筑，它的历史是中国百年历史的集中缩影，不论从建筑角度还是历史文化的角度，都有着不可替代的价值。图1：大楼鸟瞰视角图2：大楼立面（二）三维扫描在本项目中的必要性由于大楼建造年代久远，历史图纸缺失不足，以及作为古典风格建筑，外立面和内部装修精美复杂，采用常规测绘方法必然无法精确全面地测量各种建筑细部的尺寸，这将给之后的修缮改造设计带来困难，也将延缓改造设计的进度。而采用三维激光扫描对其进行测量，获得的数据精确、详实、无死角，而且数字化的点云测量数据可作为电子文件永久保留，日后可根据使用需要随时调用，高效方便。因此，对本项目进行三维激光扫描是对其进行测绘的最佳方法。（三）本项目进行三维激光扫描的工作步骤步骤及说明图示或照片第X卷增刊工业建筑2013年X月4步骤及说明图示或照片1．绘制设站草图：包括每个站点的设置点、标靶编号和设置位置，以及站点和标靶号的对应关系。2．开始分站扫描。期间可根据现场情况适度调整设站方案，本次扫描分为室内和室外两部分，分别扫描后通过外部公共点进行连接。3．点云分站数据导出。（图示其中三个站点的扫描数据）4．各站数据拼接。第X卷增刊工业建筑2013年X月5步骤及说明图示或照片5．清理多余数据后的点云数据。（图示分别为点云顶视图、侧视图、立面图）6．基于点云数据制作出可直接量取尺寸的三维实景照片，其中各站点位置显示在平面图中，可任意切换站点视角。（如图示中下图为站点103视角）7．三维建模：将点云数据导入三维软件后，建立各楼层模型和三维整体模型。第X卷增刊工业建筑2013年X月6步骤及说明图示或照片四、本章结语在本工程中，由于大楼体型大，造型复杂，内部房间数量多，且缺少准确可用的CAD数据来建立精确的BIM模型，如果借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常困难的测量，采用三维激光影像扫描技术，因其是非接触式的测量，所以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三维实景，展示一个完全的实景彩色图像，它既能为项目改造设计和BIM模型提供详实的数据支撑，也能作为历史数据的记载留存后世，为今后建筑的可能存在的修缮提供精确可靠的历史数据。参考文献[1]徐源强.三维激光扫描技术[J].测绘信息与工程,2010,35(4):5-6.[2]毛方儒.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术,2005.04,25(2):1-6.[3]张宏伟.三维激光扫描技术特点及其应用前景[J].测绘通报,2012,增刊:320-322.[4]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京理工大学硕士学位论文,2006(6).