三维激光扫描技术在古建测绘中的应用研究
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作者: 刘 歆 徐 良
[摘要]作为近几年发展成熟起来的新型三维测量技术,已逐步应用于古建测绘当中。与传统古建测绘技术相比,它在获取信息的全面性、以及测绘工作的高效性等方面具有无法比拟的优势。我们通过测绘实践,总结出应用三维激光扫描技术进行古建测绘的具体实施步骤,希望对找到该技术在古建测绘中的最佳使用方法有所帮助。
[关键词]古建保护;古建测绘;三维激光扫描技术
1、引言
古建筑延续了历史文脉,是人类文明的载体。随着社会的发展,古建筑的价值逐渐受到人们的高度重视。对于古建筑,必须采取积极的手段进行保护和利用。保护和利用过程需要对古建筑进行精确的测绘工作,传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图可以表达建筑的关键部位和整体结构,但由于技术手段的局限,难以对古建筑进行快速测绘和对建筑立体空间进行清晰的表达。三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期出现的新型三维测量技术,“点云”是高速激光扫描测量中被测对象的采样点(离散点)集合,它反映物体或地形表面的阵列式几何图像数据。三维点云数据可以通过标准接口可以被各种相关处理软件系统使用,当各种实体点云数据采集完毕后,应用软件系统随即快速计算出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。采集的三维激光点云原始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。可见,三维激光扫描技术为古建筑测绘提供了革命性的新途径,必将成为未来古建测绘必不可少的新技术。
2、三维激光扫描技术与传统古建筑测绘技术的对比分析
传统的古建筑测绘方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸,而获取的最终资料是“图样”(即图纸)和一些文字记录。后来又出现利用了近景摄影地方法进行古建筑测绘。近景摄影测量的两部分工作中(摄影及影像处理和制图)采用的是光学方法和模拟制图工艺,最终成果是以光学像片表示的影像资料和以纸质形式表示的图件资料。三维激光扫描技术,它具有快速、精确、多方位的特点,它能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云数据,可广泛应用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。
与传统古建筑测绘技术相比,三维激光扫描技术存在明显的优势。传统的古建测绘方法获得的是“图样”,近景摄影测量的最终成果是测绘建筑物平面图、截面图、立面图等。这两种测绘技术获得的均是反映建筑物信息的二维平面图纸,而三维激光扫描技术获得的数据则是建筑物的三维空间模型,模型中包含了建筑所有结构、细部乃至材质信息。三维激光扫描技术能够在几个小时内获得传统测绘方式数天或者更长时间都不能获得的古建信息,相比传统测绘方法,它节省了时间、人力,大大提高了工作效率。同时,三维激光扫描技术有很强的适用性,在很多复杂的环境中都可以进行测量。此外,三维激光扫描设备通过发射激光束来实现三维坐标的精确获取,可不依赖辅助光源,实现全天候作业。
3、三维激光扫描技术在古建测绘中的应用实践
基于三维激光扫描技术的这些优势,我们运用该技术在河北省怀来县鸡鸣驿的重点古建测绘中进行了有益实践。通过这次测绘实践,我们总结出三维激光扫描技术在古建测绘中的具体实施步骤,希望对找到其在古建测绘中的最佳使用方法有所帮助。安排人员应用三维激光扫描技术进行古建测绘的具体实施的步骤与方法如下:
第一,划分三维激光扫描工作组。即在测绘工作初期排定属于三维激光扫描保护作业模式的作业流程,并详细分配人员组织安排。主要可分为以下几组:三维激光扫描操作组,负责测绘仪器的操作及维护;测绘资料记录组,负责整理、记录测绘古建的文字纪录、影像纪录、扫描死角的建筑构件大样描绘等,使得测绘工作更加完善,确保收集的古建信息丰富且完整;数据建模组,负责依据收集到的三维坐标数字点云信息,制作效果图或相应的RP模型;软件描绘组,负责将模型数字信息导入具有描绘功能的电脑软件,绘制出完整的古建记录图;建档储存组,负责将所有古建筑的数字化信息集成统一的资料库,便于搜索、调用、共享。
第二,建立古建筑的形体属性。使用三维激光扫描技术,对古建筑及其周边环境做整体性的扫描纪录。即以需要进行测绘的古建筑为中心,向周边一定范围推进,并在合理的位置设立扫描站点,再针对构件、结构、雕塑、细节等做精细扫描,并将全部扫描站点利用重复参考坐标系做全景拼接,以获得完整的历史地段控件属性。
第三,整理、完善原始古建筑信息的保存。对于历史建筑的保护,最为重要的就是原始信息的保存,做法是对经由三维激光扫描后得到的精确点云数据作重新优化处理并附上色彩属性,而后依据保存记录的各项需求,将数字点云建筑模型做分解动作;经由正射切割的三维模型投射到同一平面系统之后,可制作成正射影像或直接导出点云数据,再依据影像和数字点云信息描绘边缘成为常用二维CAD静态图像,如:平面、立面、剖面、大样等,即可完成对历史建筑现状图面保存记录。
第四,建立古建筑数字信息数据库。将处理完成的数字化信息依据历史建筑尺度大小、构件属性、文件格式、媒体类别等分门别类,并在同一虚拟平台上建立完整的数据库系统,以辅助工作组间数字信息资料的相互搜寻、查询、编辑、传送,如此建立完成后的古建筑数字化信息能被多元化的交互使用。
第五,制作相应的RP模型。三维激光扫描的点云数据经由RP程序所建构来的实体化模型,在掌握空间尺度后,可以检测历史建筑的变形量、沉陷量、偏移量,同样的方式也适用于但以构件或浮雕装饰,对今后古建筑的修护工作起到重要的作用。
第六,以扫描所取得的数据为基础,通过软件的编辑和适当的显示接口,可以制作虚拟实境(virtual real-ity)及环场影像(panorama)。通过这种方法可以在人们面前真实地再现历史建筑及其周边环境。
4、结语
三维激光扫描技术运用于古建测绘工作中,为古建筑研究与保护提供了新的手段。它在获取信息的全面性、以及测绘工作的高效性等方面具有传统测量技术无法比拟的优势。尤其是它“非接触式”的测量的手段,不会对传统古建筑造成损伤,正体现了古建筑保护的核心思想,即让建筑物在“不改变原状”的条件下长期健康存在。但要运用三维激光扫描技术,建立一套科学合理的、实践性强的古建测绘方法,还需要在今后大量的古建测绘实践中不断探索。
参考文献
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