1、引言

　　古建筑延續了歷史文脈,是人類文明的載體。隨著社會的發展,古建筑的價值逐漸受到人們的高度重視。對于古建筑,必須采取積極的手段進行保護和利用。保護和利用過程需要對古建筑進行精確的測繪工作,傳統的由建筑師手繪的結構圖和由地面近景攝影測量方法測出的結構圖可以表達建筑的關鍵部位和整體結構,但由于技術手段的局限,難以對古建筑進行快速測繪和對建筑立體空間進行清晰的表達。隨著經濟的發展，科技在不斷的創新，近期發展的一項高新技術--三維激光掃描技術，這種技術具有的優勢所在，通過激光測距原理（包括脈沖激光和相位激光），利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據,可快速建立結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現行的三維建模軟件所不可比擬的。作為新的高科技產品，三維激光掃描儀已經成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪等領域里應用。

　　2、三維激光掃描技術與傳統古建筑測繪技術的對比分析

　　傳統的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸,而獲取的最終資料是“圖樣”(即圖紙)和一些文字記錄。后來又出現利用了近景攝影地方法進行古建筑測繪。近景攝影測量的兩部分工作中(攝影及影像處理和制圖)采用的是光學方法和模擬制圖工藝,最終成果是以光學像片表示的影像資料和以紙質形式表示的圖件資料。三維激光掃描技術,它具有快速、精確、多方位的特點,它能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數據,可廣泛應用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。

　　與傳統古建筑測繪技術相比,三維激光掃描技術存在明顯的優勢。傳統的古建測繪方法獲得的是“圖樣”,近景攝影測量的最終成果是測繪建筑物平面圖、截面圖、立面圖等。這兩種測繪技術獲得的均是反映建筑物信息的二維平面圖紙,而三維激光掃描技術獲得的數據則是建筑物的三維空間模型,模型中包含了建筑所有結構、細部乃至材質信息。三維激光掃描技術能夠在幾個小時內獲得傳統測繪方式數天或者更長時間都不能獲得的古建信息,相比傳統測繪方法,它節省了時間、人力,大大提高了工作效率。同時,三維激光掃描技術有很強的適用性,在很多復雜的環境中都可以進行測量。此外,三維激光掃描設備通過發射激光束來實現三維坐標的精確獲取,可不依賴輔助光源,實現全天候作業。

　　一、三維激光掃描技術的工作原理

　　三維激光掃描技術，是通過內部的激光脈沖發射器向目標物發生激光脈沖，反光鏡旋轉，發射出的激光脈沖掃過被測目標，信號接收器接收來自目標體發射回來的激光脈沖，通過每個激光脈沖從發出到被測物表面返回儀器所經過的時間可以獲得被目標體到掃描中心的距離，同時掃描控制模塊和測量每個激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動解算得出被測點的相對三維坐標，進而轉換成坐標系中的三維空間位置坐標或三維模型。

　　二、掃描數據處理

　　地面三維激光掃描系統掃描得到的數據是點云數據(Points Cloud) ，記錄了有限體表面上離散點的空間坐標和某些物理參量。點的表示形式為( x ,y ,z ,intensity ,R ,G ,B) ，不僅包含了點的空間位置關系，還包括點的強度信息和顏色灰度信息。離散的點云數據并不能夠真實準確地表達構筑物的整體模型，為了滿足三維建模的需求，首先要對所獲得的原始點云數據進行處理，包括數據濾波、坐標系轉換、數據配準。

　　三、三維激光掃描技術的特點

　　三維激光掃描系統是目前國際上先進的獲取地面空間多目標三維數據的長距離影像的測量技術。它將傳統測量系統的點測量擴展到面測量，它可以深入到復雜的現場環境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型，復雜實體的三維數據完整的采集到計算機中，進而快速重構出目標的三維模型及點、線、面、、體等各種幾何數據，而且它所采集到的三維激光點云數據還可以進行多種后處理工作。三維激光掃描技術利用激光特有的掃描測量，該技術具有非接觸測量、數據采樣率高、主動發射掃描光源、具有高分辨率、高精度數字化采集結構緊湊等特點。

　　四、三維激光技術應用于古建筑保護實例

　　1、古建筑特征

　　古建筑是歷史政治經濟文化的凝聚物， 不同時代的建筑見證了不同的政治、 文化和審美，不同的民族其建筑也有其特有的風格。中國古建筑在外型上主要由屋頂、屋身和臺基三部分組成；建筑的結構有石塊和木質，其中 80%以上是木質結構。細部臺基、立柱、斗拱和屋頂結構繁雜；門窗天花板形式多種多樣，圖案栩栩如生。其建筑物內涵極為豐富，因而對保護建筑物這些特征所要求的技術非常高。

　　采用三維激光影像掃描技術，能在不損傷建筑物的條件下，快速采集古建筑物外部表面的精確數據。通過使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點云賦予相應的彩色信息，再經過加工便制作成正射影像，向用戶展示一個完全的實景彩色圖像。相對于以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設計和保護人員可以精確對門、窗、柱、梁等構件進行測量，借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數據圖。

　　2、三維激光掃描在古建筑保護中應用

　　用三維激光測量古建筑，其步驟如下：

　　第一步：古建筑表面數據采集。主要內容有：確定測繪方案，三維激光實地掃描。

　　本實驗以Trimble X130激光掃描系統測量中山紀念堂為例，實驗設置了三個標靶點，測量時儀器 Z軸垂直。

　　第二步：內業數據處理。主要內容包括：數據轉換、點云數據配準、數據建模、實物量測和數據存檔。

　　表 1   標靶點坐標值

　　第一測站/(mm)                   第二測站/(mm)

　　標靶點   X          Y         Z           X         Y          Z

　　B1      3071.92    3341.95    1543.87      -21461.26   39844.93    1516.14

　　B2      2970.82   -12629.37   1523.50      -7676.83    31769.84    1533.19

　　B3      981.71    -16874.30   1485.69      -4998.82    27924.10    1504.60

　　根據表 1 計算得其六參數數據轉換精度約為±1.2mm。

　　內業處理軟件為：與掃描儀相配套的數據處理軟件Trimble Realworks 。在配準模式下，不同測站的點云數據融合在一個坐標系統當中。在測量模式下，在三維點云圖上量取實物尺寸和特征數據；也可以輸出到CAD中，制作古建筑的平面地圖；還可以直接存檔點云數據（如圖）。在建模模式下，可以根據已有幾何形體對點云建立模型。

　　三維激光測量數據處理結果仍以點云的形式存檔于數據庫或者計算機中，結果數據存儲文件格式為：*.asc，存儲的內容有坐標值、RGB大小及坐標標準差。

　　存儲后，數據可用于檔案記錄、三維可視化及逆向重建等方面，通過建模技術還原古建筑物原貌，并繪制精確的修繕施工圖紙，做到客觀、準確地保護古建筑物，充分發揮三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用價值。

　　因受該建筑物結構復雜、部分觀測條件不佳等客觀條件影響以及時間和經費的限制，此次中山紀念堂的三維觀測數據有欠完整，但成果資料完全能體現三維激光掃描技術的先進性和優越性，我們期待通過后期工作的跟進，能進一步完善本科研成果，更全面地建立中山紀念堂的建筑設計圖，并建立完整的三維模型，賦予建筑色彩及強度等因素，全方位地提供建筑物的各項數據。

　　總結：

　　三維激光掃描技術運用于古建測繪工作中,為古建筑研究與保護提供了新的手段。它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有傳統測量技術無法比擬的優勢。尤其是它“非接觸式”的測量的手段,不會對傳統古建筑造成損傷,正體現了古建筑保護的核心思想,即讓建筑物在“不改變原狀”的條件下長期健康存在。但要運用三維激光掃描技術,建立一套科學合理的、實踐性強的古建測繪方法,還需要在今后大量的古建測繪實踐中不斷探索。

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