三维激光扫描在古建筑保护中的应用分析.doc

三维激光扫描在古建筑保护中的应用研究甘梦仙1,2 郭广礼1,2(1江苏省资源环境信息工程重点实验室，2中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州，221116)摘要：本文从三维激光测量原理出发，着重分析了三维激光用于古建筑物保护时的测量及处理技术，由此体现出三维激光用于古建筑保护的优越性。同时，根据现有的石狮古建保护实例及三维激光应用于古建筑保护的数据处理工作，指出当前三维激光用于古建筑保护中存在的问题，以便三维激光技术能够更好的应用于古建筑和其他领域。关键字：古建筑测绘；坐标转换；数字化存档；可靠性Research on the application of 3-D laser scanning in ancient architecture protectionGAN Mengxian1,2 GUO Guangli1,2(1 Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental; 2 School of Environmental Science and Spatial Informatics, in China University of Mining and Technology, Xuzhou221116, Jiangsu)Abstracts: This departure from the principle of 3-D laser measurement, focused on analyzing the method and the process of ancient architectures measured by 3-D laser, which reflects the superiority of the three-dimensional laser for ancient building protection. And based on present works for ancient architecture protection for the stone lion and the steps of applying 3-D laser to deal with datas, the paper pointed out that current problems exists in conserving old architecture by 3D laser, so that which could be used in ancient buildings and other areas better.Key words: ancient architecture measurement; coordinate transformation; digitalized archive; reliability1 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。所得数据的可挖掘性好，多用性好，大大减少了现场测量的时间和次数3，使得三维激光技术可方便、准确和迅速的用于建筑物信息的获取。2.2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。2.2.1点云数据滤波对目标进行扫描后，扫描点云中可能存在树木、路灯、行人、车辆等不需要的点，造成数据冗余；另外，扫描目标的表面也会存在一些噪声点。这些冗余数据或噪声数据是无效的，同时增加了计算机内存，降低了数据处理效率，因而需要对点云数据进行滤波，剔除冗余数据，消除噪声点，提取目标表面的点云数据。具体措施有：对原始观测值进行粗差剔除，利用各种抗差估计方法去掉离群数据，采用传统去噪方法或小波去噪处理偶然（随机）误差4。2.2.2坐标系转换点云数据中，点的空间位置信息是以扫描仪自身特定的坐标系统为基准，该坐标系统以仪器中心为原点，以仪器竖向扫描面向上的正方向为Z 轴，与Z 轴垂直的平面方向为X 轴。实际应用中，通常要把扫描坐标系转化为国家统一坐标系或者是地方独立坐标系。两个空间直角坐标系的坐标变换的参数一般包括3 个平移参数、3 个旋转参数和1 个尺度变化参数。同物方空间坐标系，其尺度相同，则两坐标系之间的变换有6 个独立的参数。转换方程为： （1）六参数转换：当旋转角度很小时，其余弦值等于1，正弦值等于角度值；因此方程可化为： （2）采用3 个共轭点，列出9 个误差方程，按间接平差法可获得6个转换参数的最小二乘解。此时，点云数据的内定向已经完成。2.2.3点云数据配准由于地面三维激光扫描测量仪的仪器特性以及周围环境的影响，一站扫描只能获得建筑物的部分信息，仪器无法扫描得到构筑物超出角度范围和被遮挡的部分；而建立构筑物整体的三维模型需要获得其整体的空间数据信息，因此扫描时必须多次更换视点或测站。把不同测站点云数据融合到统一坐标系统中得到整体空间数据信息，即数据配准。在天宝激光扫描配套数据处理软件中，提供了基于点云和基于目标的配准方式。采用三点到三点的配准方法，在扫描区域中设置至少3 个同名控制点，相邻的扫描点云数据统一到同一个坐标系下；对多个点云数据进行配准时，则将多个点云数据中的控制点组成一个闭合环，防止配准过程中坐标转换误差的积累。2.3 三维建模地面三维激光扫描测量技术采集得到的数据是由全离散的矢量距离点构成的点云(Points Cloud)，可以用点云所蕴含的信息直接构建高精度的DEM，但没有任何明显的形体信息和拓扑关系信息，不能直观表达。因此，需用点、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型将形体描述出来，构成模型，即三维建模。3三维激光技术应用于古建筑保护实例3.1 古建筑的结构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。用三维激光扫描古建筑，其单点向扫描精度达毫米级，且扫描间距可达亚毫米级，因而能将复杂、不规则的古建筑数据完整的采集到电脑中；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的保护力度。因此，三维激光扫描技术用于古建筑保护具有适用性和可靠性。3.2 三维激光扫描在古建筑保护中应用古建筑保护最基础的工作古建筑测绘，实际是通过三维激光测量取得实地实物的尺寸和数据5，绘制出一套完整的古建筑三维图，保护由历史建筑、环境要素等构成的物质空间和社会生活等所传达的各种信息的真实性6，传递其历史、文化、科学和情感。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激光扫描系统测量博物馆像为例，实验室设置了三个标靶点，测量时仪器Z轴垂直。 扫描数据如下图2：图2 三维激光扫描数据Fig2. The datas from 3D laser scanning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Tab1. The coordinates of the targets第一测站/(mm)第二测站/(mm)标靶点XYZXYZB13071.923341.951543.87-21461.2639844.931516.14B22970.82-12629.371523.50-7676.8331769.841533.19B3981.71-16874.301485.69-4998.8227924.101504.60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，将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的尺寸和特征数据；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3）。在建模模式下，可以根据已有几何形体对点云建立模型。 图3 测量模式下量取坐标和尺寸及图形或坐标数据输出 Fig3. to measure the coordinations and sizes and to export the image and coordination datas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（如图4）。 图4 点云存储Fig4. The storage of point clouds存储后，数据可用于档案记录、三维可视化及逆向重建7等方面，实现三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用。3.3 三维激光扫描用于古建筑测绘存在的问题及解决对策 古建筑有结构复杂，内层多样；当建筑物层次繁多时，三维激光难以采集内层的数据信息。因此，当我们用三维激光测绘古建筑时，不可避免的存在不足之处：（1）扫描范围局限三维激光的扫描是在一定范围内才有效的，范围一般为1500m。随着被测设备和建筑材料的反射能力变化，范围也可以随之扩大和减小。以500m为例，则其扫描的空间范围为以250m作半径的球体去除测站正下方45度圆锥体。（2）采集点不完全三维激光发射的是可见光，不具有穿透性，因此被遮挡的部分不能够被扫描，交错的构件的内部不能被显示。三维激光仪器接收的是激光的反射脉冲，镜面反射和超过临界入射角的材料数据收集不到；并且透明材料的信息也没有办法采集。（3）古建筑保护中的测绘不仅是对其建筑本体的信息（位置、形状、大小等）的提取，还有其彩绘图案和色彩等反应历史人文和环境风貌的信息的采集。但三维激光由于其技术的局限性，尚不能完全达到这种要求。扫描范围的局限和采集数据不完全的缺陷，对于前者可以依靠扫描时巧妙设站和设置扫描角度来避免；对于后者，鉴于补扫描所得的点云与之前扫描数据配准后误差较大，因此对于没有采集的部分，可通过数学模型进行插值运算。而保护古建筑的历史风貌和人文信息即属性信息，可用人工采集即SQL Server编辑和存储。4结论和展望 从三维激光扫描技术及其在古建筑测绘的应用实例方面可以看出，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，2004.10: 69-70.2 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: 65-673 李长春，薛华柱，徐克科.三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现J.河南理工大学学报：自然科学版，200804: 193-199.4 石银涛，程效军，张鸿飞. 地面三维激光扫描建模精度研究J. 上海：河南科学，(2010)02: 182-186.5 廖小辉，李燕，胡云世，叶国华. 古建筑保护测绘方法的研究J. 测绘通报，(2008)12: 045-046.6 何玮. 古建筑的保护与修复J. 工程建设，(2008)06: 033-035.7 丁宁，王倩，陈明九. 基于三维激光扫描技术的古建保护分析与展望J. 山东建筑大学学报，(2010)03: 274-276.