三维激光扫描仪在古建数字化保护中的应用研究

摘要 本文以徕卡ScanStation C10一体化激光扫描仪为例，介绍了三维激光扫描仪的工作原理及数据成果在古建数字化保护中的具体应用。

关键词 三维激光扫描仪；点云数据；三维模型

中图分类号TH6 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）120-0243-02

0 引言

古建筑是历史政治文化的凝聚物，不同时期的建筑见证了不同的政治、文化和审美，不同民族、不同地方的建筑也具有其独特的风格，但随着社会的发展、风雨的侵蚀，我们能够看到的完整的古建筑依然不多，许多珍贵稀有的古建文物遗址已处于濒危境地，如何实现古建筑的数字化空间信息的管理及三维重建是近年来研究的热点。古建筑大多具有不规则的曲面特征，结构比较复杂，依靠传统的测绘方法和照片难以复原其原貌，而三维激光扫描技术通过高速激光扫描的方法，大面积高分辨率地快速获取被测物体表面的三维坐标、反射率和色彩信息，打开了测绘领域由传统点测量到面测量的新局面。

1 徕卡ScanStation C10一体化激光扫描仪简介

徕卡ScanStation C10一体化激光扫描仪的工作原理和主要技术参数

徕卡ScanStation C10一体化激光扫描仪是紧凑型，脉冲式扫描仪，拥有较高的扫描速度及测量级精度，更广的测程和全视场角，其中扫描速度可达50000点/s，单次测量时点位精度±6mm、距离精度4mm、角度精度12"、表面建模精度2mm、标靶获取精度2mm，有效测距范围300m，全方位视场角360°×270°；同时它是一个带有全站仪功能的三维激光扫描仪，双轴补偿±5′、补偿精度1.5"，具有全站仪级别的单点测量精度；整合了数码相机和激光对中器功能用户界面机载控制，笔记本电脑或台式电脑数据存储内置硬盘或外接电脑相机一体化高分辨率数码相机；和其他的地面型激光扫描仪的工作原理一样，徕卡ScanStation C10发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面反射后，沿几乎相同的路径反回传回到接收器，可以计算目标点P与扫描距离S，控制编辑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β。三维激光扫描仪一般为仪器自定义坐标系，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。

2 徕卡Scanstation C10一体化扫描仪在古建测量中的应用

三维激光扫描技术被称作“实景复制技术”或“高清晰测量”，它可以精确重建出古建筑的三维模型和制作线划图，永久保存建筑原貌，为古建筑的鉴赏、研究和修复提供的数据基础。

2.1 工作流程

三维激光扫描仪的工作流程与传统的测量手段有很多的相似之处但也有其自身的特点。主要工作流程如下图所示：

和传统测量方法相比，采用三维激光扫描仪作业时需注意以下几点：

1）测站布设

扫描时需综合考虑地形、地物的分布特点，尽量避免扫描盲区的出现，同时保证重要的地形、地物特征明晰。

2）分辨率设置

扫描时，建议对古建筑的不同部分采用不同的分辨率，对地面、天花板等平整部分采用中等、中高等分辨率；对结构复杂、体形较小、比较重要的局部使用高等、超高等分辨率（比如天花藻井、带有浮雕的墙壁、柱子等）。

3）外置相机拍摄时间选择

建议在扫描前自然光线较好的条件下拍摄，避免因为天气、光线等因素影响照片质量。拍照时可以对自动包围曝光进行设置，每个场景拍摄至少三张照片，内业择优选择。

2.2 数据成果

1）点云数据

徕卡Scanstation C10配有专业的后处理软件Cyclone，具有强大的点云数据预处理功能，通过对点云的扫描、拼接、去噪等得到建筑物完美的点云数据，这些珍贵的数据反映了建筑物当下的真实面貌，包含了建筑物的空间尺寸信息和色彩信息，是存档和破坏后复建、修复和研究的珍贵资料。扫描后获取的点云坐标是相对坐标，如果和全站仪、GPS等测量仪器结合，可以将整个扫描系统放在一定的空间地理坐标系中，精确定位每个点的绝对坐标。

2）古建筑线划图

古建筑的线划图包括平面图、立面图、剖面图、大样图等，这些二维图件反映了古建筑的内部结构或构造形式、长、宽、高等各种信息以及各部件之间的相互联系。在Cyclone中经过处理的点云数据没有任何噪音，可以在AutoCAD中利用Cloudworx插件，通过切片等操作制作线划图，不但生产速度大大提高，且精度更高。

3）模型

对于规则几何体，利用三维激光扫描仪配套Cyclone软件模型库进行快速建模，但对于非标准几何体，如雕像，中国古典建筑中的各种复杂部件等，由于Cyclone对于不规则物体的建模功能并不理想，我们用一个比较强大的逆向工程软件Geomagic Studio进行建模，通过点云去噪、封装等建立格网模型再进行优化处理完成建模，最后通过纹理映射或导入到3Dmax、Maya中完成。

另外，通过对点云数据模型分析和查看，能够科学和快速的制定修缮方案，为下一步的修缮与保护提供精确的数据基础，进而完成古建文物的数字档案、三维展示、保护复制、修复及衍生品开发等应用，实现历史遗迹的永久存档。

4）彩色点云网上

获得的点云数据经过后处理获得完美的的建筑物点云数据，附上真彩色信息通过徕卡HDS TrueView插件到网站浏览，真实再现建筑物的全景信息，同时还可以实现基于互联网的量测和标注，满足古建筑爱好者的好奇心。

3 结论

3.1 三维激光扫描仪在古建数字化保护中的优势

1）从古建的保存现状看，历代都有维修的痕迹，但未见有任何资料记载，通过三维激光扫描技术可以保存不同时期的文物档案，实现永久存档，方便随时调阅查看；

2）数据采集速度快，外业采集时间短，可以达到上百万点/秒；

3）古建一般都具有不规则的曲面特征，传统测绘手段很难将其完整测绘下来，三维激光扫描技术可以以亚毫米级的点间距表达其形状，信息获取更全面；

4）古建筑测量要求的精度较高，三维激光扫描仪具有毫米级的扫描精度，可以完全满足项目的精度要求；

5）非接触扫描可以避免人为到达造成的损害。

3.2 面临的问题

1）针对三维激光扫描仪的特点，在建筑比较紧凑的区域，难以避免遮挡情况，因此，点云数据缺失是比较普遍的现象，怎样优化点云数据缺失条件下的边界拟合和特征面拟合成为一个亟待解决问题；

2）古建筑保护、修葺和改造是一直以来受到国家和社会关注的热点问题，因此如何通过大数据计算对点云模型进行特征面分析、精确测量和自动组合建模，成为学界研究的重点。