三维激光扫描技术在古建筑保护和修复中的应用

三维激光扫描技术在古建筑保护和修复中的应用唐彬辉建筑0803200804150319摘要：古建筑的保护与修复已经成为一个世界性的课题，但是如何在修复过程中尽量减少对古建筑的影响，以及如何提高测量精度？三维激光扫描技术很好地符合了这个要求。关键词建筑；重建；三维；扫描；应用如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息息数字化发展提供了必要的生存条件。它的应用很广泛，古建筑保护、文化遗产保护、重要建筑物的施工质量评价、建筑物变形监测等方面特别适用。下面主要谈谈它在古建筑保护及修复上的作用。我国的古建筑都是有着很悠久的历史，是我国古代人民的智慧结晶。如举世闻名的故宫、天坛、平遥古城、苏州园林等。他们经受了历史的演变，也经受了战争的洗礼，如今有些已经到了修缮的阶段，有些需要重建。建筑物的恢复与重建是建筑领域中一项主要技术和研究课题。过去由于种种原因被破坏的那些具有特殊历史意义的古建筑已经永远地消失在历史长河里。随着科学技术的发展与应用，特别是数字信息与三维模型技术的出现，开创了建筑恢复与重建的新局面。所谓建筑物的恢复即是将已被破坏的建筑物恢复以往的面貌，使其保持其原来的风姿。重建则是对于被破坏的建筑物进行重新建设，但不一定保留其原来的风格。无论是恢复和重建都要依据已有的资料科学地建设。否则，就很难达到恢复和重建的效果与目标。因此保留具有历史意义的建筑物原貌资料是今后重建和修缮的主要依据。传统的资料都是一些历史照片，只能目视判断古建筑的轮廓、形状，其真正的数据资料如形状大小等不能确定，给修复和重建工作带来了很大的困难，甚至使得一些具有历史意义的建筑物不能修复和重建。新的时期新的技术给建筑物的修复带来了新的技术。三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能够完整并高精度地重建扫描实物数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于技术上突破了传统的单点测量方法，其最大特点就是精度高、速度快、逼近原形，是目前国内外测绘领域研究的热点之一。三维激光扫描技术目前已在众多领域得到了广泛应用，尤其在建筑设计以及恢复重建方面，它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到计算机系统中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实、…等，它是各种正向工程的对称应用即逆向工程的应用工具。三维激光扫描技术不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向三维建模及重构。众所周知传统测绘技术主要是单点精确测量，但用它做建模工作时就爱莫能助了，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几万个，多则几百万以上，这样才能把目标完整的搬到电脑中来，所以，用现代高精度传感技术做辅助就解决了这个问题，三维激光扫描技术就是这类全自动高精度立体扫描的技术。三维激光扫描技术可以对每一栋单体建筑进行扫描，记录下建筑内外形制的原状，扫描结果与手工测绘相比，精确度提高了，一些复杂的数值也能得到统计。比如柱子的生起、侧脚，屋角的起翘、正脊的曲线形态等，并且在电子图上可以直接读取有关数据，比如梁、擦、访等建筑构件的长、宽、高，它们的下垂、倾斜、扭曲、歪闪，等等。例如：2006年我们在对西藏夏鲁寺的勘查测绘过程中，与清华大学的三维激光扫描技术相结合，很快就验证了聚会大厅内的柱网并不是按常规与党康佛殿和马头金刚殿平行布置，而是略有角度(图1)；二层转经道在西、南、北方向的宽度也不尽相同。由于藏式建筑的随意性及不规则性较大，再加上夏鲁寺的建筑不是同一时期所建，下层建筑与上层建筑的墙体或柱子并不互相对照，墙体也并不一定是规则收分(图2)．因此手工测绘很难找出其相对关系和测出准确尺寸，但三维激光扫描技术就可以很好地解决这一问题。另外，如果在修缮前后都进行一次扫描，还可以直观地发现我们是否真正做到了末改变文物的原形制，文物建筑的问题是否得到了纠正，为我们的文物保护措施起到检测作用。1．激光扫描采样三维激光扫描仪的工作过程，实际上就是一个不断重复的数据采集和处理过程，它通过具有一定分辨串的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。三维激光扫描仪所得到的原始观测数据主要是：①根据两个连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值；②根据脉冲激光传播的时间而计算得到的仪器到扫指点的距离值；②扫描点的反射强度等。前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度则用来给反射点匹配颜色。2．模型生成与拼接在任意一幅点云图中扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同点云图间点的相对位置关系的正确与否，则取决于它们是否处于同一个坐标系下。大多数情况下，一幅扫描点云图无法建立物体的整个模型，因此，如何将多幅点云图精确地“装配”在一起，处于同一个坐标系下，是要解决的问题。通过激光扫描点云数据的合并，可完成扫描对象的拼接。数据拼接中转换精度直接影响到建立对象模型的质量和使用。目前采用较精确的方法是在扫描区域中设置3个或3个以上控制点，从而使得相邻的扫描点云图上有3个以上的同名控制点或控制靶标。通过人工捕捉并加密扫描，再按最小二乘法计算精确的转换参数，从而实现控制点的强制符合，这样可以将相邻的扫描点云图精确地统一到同一个坐标系中，并完成模型的拼接。3.应用实例如图12。20为袜卡公司的Cyra三维激光扫描系统，它由Cyrax2500激光扫描仪和Cyclone3．0系统软件组成。扫描仪最大潮距范围为200m，单点位置测量精度为土6mm。扫描速率为1列／秒(采样率为1000点／列)或2列／秒(采样串为200点／列)。扫描密度为每行、每列最多可达1000点。如图12—21为采用Cyra三维激光扫描系统对清华大学二校门扫描测量所建立的模型图(扫描中采用测站数为4，标靶个数为6)。三维激光扫描技术为快速、精确三维重建提供了强有力的手段，圆满解决了本工程的技术难题，为施工单位争取了时间，尤其对于景区文物类的实体对象，因其是非接触式测量，所以不会对文物构成任何的伤害；此外，对游客的游览参观也几乎没什么影响。在以后类似的工程项目当中，应该积极大力推广三维激光扫描技术的应用。三维激光扫描已经逐渐成为古建筑保护与修复不可缺少的技术手段。