三维激光扫描仪在文物保护工作中的应用

摘要：利用先进的全站仪测量高精度的控制导线，通过三维激光扫描仪对古建筑物进行扫描，获取古建筑物表面的高清晰三维激光点云影像数据，将数据拼接在一起，便形成了古建筑物的三维立体点云图。将点云数据导入CAD中，可绘制出各种古建筑图。将点云数据进行建模处理，建立高清晰古建筑三维立体模型，使人们在电脑中便可对古建筑物进行研究。

关键词：三维激光扫描仪；控制测量；标靶测量；

文物作为一个国家、一个民族文明程度的有效载体，代表着这个国家的历史和底蕴，显示着这个民族的渊源和风采，文物保护工作对两个文明建设有着十分重要的意义和作用。天龙山石窟是全国重点文物保护单位,是列入世界文化遗产保护名录的国宝。

天龙山佛像实体与三维模型

1 控制网的布设方案

本次天龙山石窟三维激光扫描项目,目的是利用激光三维扫描技术对天龙山石窟进行数字化，实现其再现、保护和仿制，具有重要的社会和经济意义。由于扫描之前没有现成的高等级的控制点可用，因此我们需要首先对天龙山石窟作整体控制测量，以服务后边的标靶点测量。整个控制测量分两部分，平面控制和高程控制。平面控制拟采用城市一级导线测量，高程控制拟采用二等水准测量。

2三维激光扫描仪的特点及原理

三维激光影像扫描仪是一种集成多种高新技术的影像扫描测量系统。主要包括激光测量系统、激光扫描仪、可便携三角架、线缆、便携电脑及控制装置、定标球及标尺、测控软件、信息后处理软件等，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。三维激光扫瞄仪是内含扫瞄棱镜的快速激光测距仪，可以快速方便准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以及对模型进行进一步的分析和数据处理。它不需反射棱镜即可精确测得扫瞄点的三维坐标，其扫瞄速度目前可达数万点/秒。其主要优点有：非接触式主动测量，可操作空间小，便于架设。不需要可见光源，所以在黑暗中也可进行测量，这种特点对坑道或自然洞穴的测量非常有帮助；在有可见光源时，可同时获取被测点的色彩值，形成三维影像，可方便建立虚拟实境。三维激光影像扫描仪的核心技术有两个：其一是空间点阵扫描技术，其二是激光无反射棱镜长距离快速测距技术。

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率的空间点坐标x y z 其坐标系是一个与扫描仪设置位置和扫描仪姿态有关的仪器坐标系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)激光束的水平方向值和竖直方向值(2)仪器到扫描点的距离值(3)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的,反射强度则用来给反射点匹配颜色脉冲。

3求解三维坐标原理

非接触式三维数据获取方法按其测量原理的不同，大致分为光学测量、超声波测量，电磁波测量等。其中，超声波测量和电磁波测量在医学应用中比较广泛，在空间信息科学领域里，光学测量方法应用最普遍且一般采用激光作为光源。本文研究的主体就是三维激光扫描仪。激光三维数字化仪利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息。

原理：基于脉冲飞行时间测距。此类三维激光扫描仪利用激光脉冲发射器周期地驱动一激光二极管向物体发射近红外波长的激光束，然后由接收器接收目标表面后向反射信号,产生一接收信号，利用一稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，又光的速度是常量，所以可测得被测目标至扫描中心的距离S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。激光扫描系统一般使用仪器自己定义的坐标系统：X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直(如图1所示)。内部伺服马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿X、Y两个方向快速扫描,实现高精度的小角度扫描间隔、大范围扫描幅度。通过一个线元素和两个角元素计算空间点位的X、Y、Z坐标，空间点坐标的计算公式如下：

4 标靶的布设方案及实施

扫描仪标靶是一种扫描仪配套的能精确识别其中心的像竖着的乒乓球拍形状的标靶，分为底座和标靶面两部分，标靶面可以绕着标靶中心旋转。标靶点作为转换坐标和控制误差的控制点，一般要分布均匀，保证有足够的密度，能控制整个建筑而且易于扫描和短期保留。在布设时需要根据实际需求，针对需要扫描的目标确定标靶的个数和位置。为了方便标靶辨认，我们对所测标靶点统一编上号，这样每个标靶都有自己的编号，这样扫描完内业处理时就不会认错标靶。

水平角观测：在角度测量中，为了消除视准轴误差、水平轴倾斜误差、照准部转动时的弹性带动误差等仪器误差，需要用盘左和盘右两个位置进行观测。为了有效减弱各种误差影响，保证观测果的必要精度，水平角观测采用全圆方向观测法。测量时，由于标靶距离一般都比较短，所以为了减少照准误差，我们在后视点上竖上一枚大头针，这样就大大减少了后视的照准误差。

竖直角观测：用十字丝横丝横切目标于某一位置，竖直角观测有两种方法：中丝法和三丝法，我们用的是中丝法，即只用十字丝的中丝瞄准目标。在测站上安置仪器，对中、整平量取仪器高，测水平角的同时测量竖直角。

距离和高差测量：在瞄准目标后，测出测站到标靶点中心的水平距离，并且按三角高程测量计算出测站和标靶中心间的高差，显示到全站仪屏幕上。

结束语：

三维激光扫描仪最大的特点就是能建立高清晰的三维数字模型，不仅能对古迹当时的真实面貌进行再现，而且可将扫描数据直接转换成CAD数据资料。这就很好地解决了长久以来文物古迹保护的难题：没有用于维护和翻新的古迹的CAD数字资料。模型建立后，可对物体上的任意点、尺寸进行量测量，通过扫描的精度比较可以看出，用三维激光扫描仪扫描的数据结果可以非常精确地测出建筑物及物体的尺寸，完全可以代替传统的测量方法。与传统的古建测量相比，三维激光测量能在不损伤建筑物的条件下，快速采集建筑物外部表面的精确数据，节省了大量的人力物力，可以做到花最合理的价格，最大效率地完成所需的工作。

参考文献

[1]《城市测量规范》，（GBCJJ 8―99）

[2]《工程测量规范》，（GB50026―93）

[3]《控制测量学》，孔祥元等编著，武汉大学出版社，2001

[4]《控制测量学》，杨国清等编著，黄河水利出版社，2005

[5]《测量学》，陆国胜等编著，测绘出版社，2002

[6]《数字测图的原理与方法》，潘正风等编著，武汉大学出版社，1997

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。