三维激光扫描技术在古建筑测绘绘图中应用＊

周美川

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050）

随着经济发展和社会进步，我国越来越重视对古建筑保护和传承。每一座古建筑都是艺术珍品，古建筑一般有台基、木头圆柱、梁、斗拱、彩画、屋顶、山墙、藻井等构件组成。古建筑的修复、保护和传承的最基础工作就是对既有古建筑的测绘。传统的古建筑测绘，使用钢尺、测距仪、水准仪等工具进行测量，同时绘制草图，然后根据草图，使用CAD 绘制建筑图。由于古建筑构件造型和结构复杂，传统的测绘方法需要借助脚手架、梯子等费时费力、测量精度差、效率低；而且对于古建筑的重要信息如斗拱、彩画、藻井等难以测量记录，容易产生测量遗漏、信息不全，需返工测量。

三维激光扫描仪技术是指利用激光测距的原理，密集的记录目标物体的表面三维坐标、反射率和纹理信息，对空间进行真实的三维记录，瞬时测得空间三维坐标值的仪器。它具有采样点速率高、非接触式测量、自动化等特点。在古建筑测绘时，采用三维激光扫描仪技术可准确的记录古建筑的点云信息，再将点云导入CAD，绘制建筑图，速度快、精度高、信息全。

1 三维激光扫描技术的基本原理

三维激光扫描仪的具体工作原理是由激光发射器主动发出一个激光脉冲信号，再由均匀旋转的反射棱镜引导至物体表面点，信号经物体表面反射后由接收器接收，通过测定信号的传播时间，计算测点与扫描仪的距离S，同时角度编码器同步记录旋转反射棱镜纵向测量角度和扫描仪水平旋转角度（如图1 所示），由此便可计算出目标点三维坐标值(x，y，z)。

图1 三维激光扫描仪三维坐标计算方法

三维激光扫描仪技术对古建筑进行扫描，得到海量采样点的集合，称为点云。点云通常包括了三维坐标（XYZ）、激光反射强度（Intensity）和颜色信息（RGB），可精确反映古建筑实地实物的尺寸、反射率和颜色等数据，制作建筑数字模型和绘制建筑图。

2 三维激光扫描技术在古建筑绘图工作实践应用

本次古建筑测绘实践以某古建筑为测绘对象，采用广州思拓力测绘科技有限公司的三维激光扫描仪X300，是基于飞行时间差的脉冲式激光扫描仪，其扫描速度约为40000p/s，最大扫描距离理论值300m；测距精度为50m 以内，中误差小于5mm，300m 以内，中误差小于30mm；扫描视场为水平360度，垂直180 度；内置1070 万像素专业数码相机,8660 万像素（环幕）,专业定焦相机；随机点云处理软件为Si-Scan。

1）X300 三维激光扫描仪外业准备。测量人员2人，三维扫描仪X300 一台、三脚架一个、智能手机（平板电脑或者其他的有连接WIFI 功能的设备）一部，同时了解古建筑的具体实际情况，设计扫描路线，尽量用较少的测站，尽量的减少工作量，提高工作效率，减少因为测站的架设和拼接带来的系统误差。

2）三维激光扫描仪测站架设。首先根据扫描路线的确定的测站位置，安置仪器，安装三维激光扫描仪基座，并对中整平，确保仪器架设好之后，圆水准气泡居中。测站架设位置选取应注意高度和扫描范围合理，当地面为土质时，将架腿踩实，防止脚架沉降；同时防止由于车辆等因素引起的地面滑动、震动等现象。

3）数据采集。由于受到物体遮挡、扫描视角限制等干扰，数据采集时应对测量目标多方位设站扫描采集数据。如本次测绘实践采集古建筑正立面时采用左、中、右，三个方位设站扫描采集数据，为方便后期点云拼接，数据采集前设置纸质标靶5 个，如图2 所示。

图2 扫描采集的点云信息

4）数据处理。本次测绘实践采用了以广州思拓力测绘科技有限公司的三维激光扫描仪X300 自带的数据后处理软件Si-Scan。Si-Scan 数据处理步骤为导入测站数据、数据预处理、数据拼接、去噪和点云数据导出。本次测绘实践把导出的TXT 格式的点云数据导入AutoCADReCap 创建一个点云投影文件(RCP)，RCP 格式文件就可以被AutoCAD 和及其他Autodesk 应用程序使用，如Autodesk Revi 软件。

5）古建筑CAD 建筑图绘制。本次测绘实践由Si-Scan 软件导出TXT 格式的点云数据，导入Auto-CADReCap 创建一个点云投影文件(RCP)；然后把RCP 格式文件通过点云附着插入T20 天正建筑软件，选择俯视图，旋转点云使建筑物外轮廓水平和竖直；最后依据点云绘制CAD 建筑图纸。点云数据通过Si-Scan、AutoCADReCap、T20 天正建筑三款软件互相配合，可快速、有效的绘制CAD 建筑图纸和建立古建筑3D 模型。如图3，图4 所示。

图3 古建筑正立面图

图4 古建筑平面图

6）三维激光扫描技术在古建筑测绘应用的问题及策略。

（1）古建筑扫描点云数据量大。由于古建筑造型和结构复杂，一般采用高密度扫描模式，三维扫描仪X300 根据扫描的点密度有快速、标准和精细三种扫描模式。本次古建筑测绘实践采用X300三维激光扫描仪的标准扫描模式，单站数据量很大，若把所有测站数据拼接，数据处理对电脑配置要求很高，一般计算机无法满足。故本次实践中采用“按需分项拼接”测站数据，例如：绘制正立面图时，只需拼接与正立面相关的三个测站的点云数据；绘制侧立面图时，只需拼接与侧立面相关的两个测站的点云数据。采用“按需分项拼接”测站数据可有效分解大数据为2 到3 个测站为一组的“分项数据”，有效降低对计算机数据处理和存储能力的要求。

（2）局部大样图的绘制。古建筑的结构复杂、附属艺术品多，一般像斗拱、藻井、门窗、雕刻等都需绘制大样图，本次测绘实践使用三维激光扫描仪近距离（3～6m 左右），采用精细扫描模式采集数据局部对象，由于局部对象较小，一般1 至2 站扫描即可，然后使用CAD 勾勒出局部大样图，如图5，图6所示。

图5 古建筑花板大样

（3）三维激光扫描仪对古建筑的测绘精度。为了检测三维激光扫描仪的测绘精度，对某古建筑特征点用钢尺采集了一定数量的尺寸数据（往返测取中值），同时在CAD 中量取了由三维扫描仪X300采集数据而绘制的建筑图中古建筑特征点的尺寸数据,总共量测了12 组数据，其比较结果见表1。从表中比较分析可知，中误差为4.17mm。采用三维激光扫描技术进行古建筑测量与传统钢尺测量相比差别不大，可完全替代传统钢尺测量。

图6 古建筑门窗纹饰大样

表1 三维激光扫描技术进行古建筑测量与传统钢尺测量的比较

3 小结

通过三维激光扫描技术在古建筑测绘工作实践应用，系统的阐述了从扫描采集数据至绘制建筑图的过程及策略，采用三维激光扫描技术进行古建筑测绘可有效提高测量精度和数据完整性，省时省力、效率高。同时，非接触的测量方式不会对古建筑造成损伤，在技术层面上加强了古建筑、文物的保护和传承。