三維激光掃描測(cè)量在老宅保護(hù)中的應(yīng)用

王鳴霄，夏磊凱

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

老舊房屋、百年老宅等具有特定意義的建筑是人類發(fā)展歷史重要的見證者。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類精神文明的提高，人們對(duì)歷史悠久的百年老宅保護(hù)意識(shí)也逐漸加強(qiáng)。由于中國(guó)古代建筑物建造工藝主要由傳統(tǒng)工匠掌握，工匠一般因文化水平有限，很少用文字及圖紙記載下來。每一棟建筑物主要由工匠的經(jīng)驗(yàn)建造而成，很少有其專門的建筑圖紙[1～3]。近代個(gè)別有建筑設(shè)計(jì)圖紙的也因年代久遠(yuǎn)導(dǎo)致紙質(zhì)材料損壞、遺失。后人也無法考證其具體建筑結(jié)構(gòu)。為了還原老式建筑物的結(jié)構(gòu)，對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)字化存檔，需要對(duì)建筑物進(jìn)行全方面測(cè)繪，這勢(shì)必對(duì)測(cè)量技術(shù)提出較高的要求[4]。老宅的測(cè)繪從最先的皮尺丈量到全站儀設(shè)站打點(diǎn)都是一種局部、效率緩慢的測(cè)量方法[5]。

隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是一種免接觸、高精度、高效率、大范圍的新型測(cè)繪方法。中國(guó)古代庭院式老宅，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，有外大門、倒座房、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、廊道、書房、正房、庭院等。使用傳統(tǒng)皮尺丈量精度不高，效率緩慢，無法準(zhǔn)確確定建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系；使用全站儀測(cè)量具有架站多、不易通視、易缺漏特征點(diǎn)、工作效率慢等缺點(diǎn)[6～8]。三維激光掃描測(cè)量非常適用于中式老宅的測(cè)量和修復(fù)工作，它可以采集結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，并可以在復(fù)雜地形環(huán)境中采集建筑物特征點(diǎn)。此外三維激光掃描測(cè)量能夠通過掃描生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景照片還原建筑物外觀模型，解決復(fù)雜建筑物復(fù)雜細(xì)部重建等問題，具有很好的應(yīng)用前景。

2 三維激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)處理

2.1 三維激光工作原理

三維激光掃描主要由激光掃描系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示，它主要是通過掃描儀發(fā)射激光信號(hào)，通過高速旋轉(zhuǎn)的反光鏡將激光向兩側(cè)均勻發(fā)射出去，當(dāng)激光遇到物體時(shí)會(huì)被發(fā)射回來，再利用儀器的接收裝置記錄返回的激光數(shù)據(jù)[9]。主要記錄的數(shù)據(jù)有反光鏡水平轉(zhuǎn)角和垂直轉(zhuǎn)角得到的激光束水平角和垂直角、激光返回的時(shí)間、激光反射回來的強(qiáng)度，若使用彩色掃描還會(huì)返回被測(cè)物體的RGB數(shù)據(jù)。

圖1 三維激光掃描工作原理

2.2 技術(shù)流程

本次項(xiàng)目使用的是FARO S350固定式地面三維激光掃描儀。FARO S350具有高精度、高分辨率、高速、尺寸小、重量輕、高動(dòng)態(tài)范圍成像、逼真三維彩色掃描等特點(diǎn)，同時(shí)還自帶傾斜、高度、GPS等傳感器，最遠(yuǎn)掃描距離達(dá) 350 m。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

FARO S350主要技術(shù)參數(shù) 表1

通過本次使用的FARO S350固定式三維激光掃描儀結(jié)合實(shí)際老宅測(cè)量過程，總結(jié)了三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在老宅測(cè)量中的主要工作內(nèi)容。主要工作流程如圖2所示：

圖2 三維激光掃描工作流程

(1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘

老宅測(cè)量前應(yīng)前往現(xiàn)場(chǎng)了解情況，大概掌握老宅房屋現(xiàn)狀、主要結(jié)構(gòu)布局及周邊的地形、地貌等。手繪現(xiàn)場(chǎng)草圖，并收集老宅所在位置的地形圖、影像圖、控制點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)等可利用數(shù)據(jù)。

(2)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解的情況、現(xiàn)場(chǎng)草圖和收集到的地形圖、影像圖等資料，初步設(shè)計(jì)園區(qū)內(nèi)部控制點(diǎn)布設(shè)位置和三維激光掃描儀測(cè)量架站路線。

(3)控制點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)CJJ/T8-2011《城市測(cè)量規(guī)范》、GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》、CH/Z3017-2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范規(guī)程要求布設(shè)平高控制點(diǎn)，平面采用GNSS RTK測(cè)量方法布設(shè)三級(jí)平面控制點(diǎn)，高程控制測(cè)量宜采用水準(zhǔn)測(cè)量、電磁波測(cè)距三角高程測(cè)量和GNSS高程測(cè)量等方法[10～12]?？刂泣c(diǎn)至少布設(shè)4個(gè)，其中3個(gè)用于掃描拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，1個(gè)控制點(diǎn)用來檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換精度。RTK平面控制測(cè)量結(jié)束需要進(jìn)行不少于控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)10%，不低于3個(gè)的重復(fù)測(cè)量檢查，并采用全站儀對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行邊角檢核。

(4)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)量方案現(xiàn)場(chǎng)布置掃描，并采用全站儀采集部分墻體等特征點(diǎn)驗(yàn)證點(diǎn)云測(cè)量精度。

(5)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸、點(diǎn)云拼接、RTK選點(diǎn)處理、水準(zhǔn)平差、全站儀碎部點(diǎn)解算、點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

(6)質(zhì)量檢查

使用控制檢驗(yàn)點(diǎn)和全站儀采集的特征點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢查，驗(yàn)證點(diǎn)云拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的精度和可靠性。

(7)繪制平立剖面圖

根據(jù)拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云繪制老宅的平面圖、立面圖、剖面圖。

(8)三維建模

為了長(zhǎng)久保留老宅的建筑結(jié)構(gòu)資料，也為了更加直觀地還原老宅的容貌，幫助以后修復(fù)及BIM改造，可利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)及平立剖圖對(duì)老宅進(jìn)行三維精建模。

3 應(yīng)用案例

本次掃描測(cè)量對(duì)象是一處位于上海某園區(qū)的老宅，老宅主要建筑物由蘇州搬遷至此，總的占地面積約 3 040 m2，建筑面積約 1 465 m2。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和獲取的高分辨率正射影像(圖3)，基本掌握老宅的結(jié)構(gòu)分布。老宅主要由一個(gè)主體建筑物和庭院圍墻構(gòu)成，主體主要由外大門、首進(jìn)大廳、二進(jìn)會(huì)客廳、三進(jìn)室正房、東廂房、西廂房、檐廊、東西廊道、庭院等組成。主體建筑物因年代久遠(yuǎn)并無相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)圖，需要對(duì)其進(jìn)行全方位三維激光掃描獲取老宅主體建筑的房屋結(jié)構(gòu)，主要包括建筑物平面圖、屋頂投影圖、立面圖和剖面圖等。本次外業(yè)掃描工作控制點(diǎn)、掃描測(cè)量及全站儀碎部點(diǎn)采集同步進(jìn)行，掃描路線由外向里進(jìn)行布設(shè)。

圖3 老宅正射影像圖

(1)控制點(diǎn)測(cè)量

老宅整體結(jié)構(gòu)比較規(guī)整，在主體四邊布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，其中3個(gè)為控制點(diǎn)(G1、G2、G3)，1個(gè)為檢查點(diǎn)(G4)。平面控制測(cè)量采用GNSS RTK測(cè)量得到，高程通過附近的水準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)四等水準(zhǔn)測(cè)量得到。RTK平面控制點(diǎn)共4個(gè)，每個(gè)控制點(diǎn)觀測(cè)兩測(cè)回，測(cè)回間平面、高程互差小于 2 cm。對(duì)其中3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量檢查，具體如表2所示?？刂泣c(diǎn)重復(fù)測(cè)量檢查平面較差均小于 0.03 m，符合規(guī)范要求。測(cè)量結(jié)束后在4個(gè)控制點(diǎn)上放置棋盤靶紙。

RTK重復(fù)點(diǎn)檢查表 表2

(2)全站儀測(cè)量

對(duì)3個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行全站儀邊角檢核測(cè)量，并同時(shí)采集老宅外圍墻體的房角點(diǎn)、墻面點(diǎn)等特征點(diǎn)。全站儀邊角檢核結(jié)果如表3所示，平面距離較差均小于 15 mm，角度較差小于30″，距離較差的相對(duì)中誤差均大于1/4000，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合CJJ/T8-2011《城市測(cè)量規(guī)范》規(guī)范要求[10]。

全站儀平面控制點(diǎn)檢核 表3

(3)三維激光掃描測(cè)量

本次現(xiàn)場(chǎng)掃描采用FARO S350三維激光掃描儀，布設(shè)方式采用由外向內(nèi)的逐站推進(jìn)，共架設(shè)158站，無靶球靶紙的相鄰測(cè)站至少有30%的點(diǎn)云重疊度。因本次掃描的老宅含有前廳、洗手間、東廂房、西廂房、廚房、涼亭、檐廊、書房、正房等房間，房間數(shù)量眾多。為了詳細(xì)測(cè)繪每一處的房屋結(jié)構(gòu)及后續(xù)點(diǎn)云拼接，一般在門前、門下及門后各架設(shè)一站。此外，為了可以掃描到屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，在老宅臨近房屋陽臺(tái)處架設(shè)掃描儀，向下進(jìn)行掃描，通過在地面上布設(shè)3個(gè)以上不同高度且不在同一平面上的靶球，利用靶球特征點(diǎn)將陽臺(tái)上的測(cè)站與地面測(cè)站聯(lián)系起來。

(4)點(diǎn)云拼接

采用FARO自帶的SCENE點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接操作。SCENE提供了3種點(diǎn)云拼接方法，分別是基于俯視圖注冊(cè)、基于云際注冊(cè)和基于目標(biāo)注冊(cè)?；诟┮晥D注冊(cè)適用于無靶球和靶紙的且相鄰測(cè)站有30%以上重疊度的測(cè)站?；谠齐H注冊(cè)是對(duì)基于俯視圖注冊(cè)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行精配準(zhǔn)，一般基于俯視圖注冊(cè)拼接后的點(diǎn)云效果質(zhì)量差的情況可以使用基于云際注冊(cè)來提高配準(zhǔn)精度?；谀繕?biāo)注冊(cè)是利用靶球、靶紙及明顯的地物特征點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，具有速度快、精度高等特點(diǎn)，但不適合通道狹窄的室內(nèi)掃描。本次采用基于俯視圖注冊(cè)+基于云際注冊(cè)和基于目標(biāo)注冊(cè)的組成模式進(jìn)行點(diǎn)云拼接，并利用軟件自帶的過濾工具進(jìn)行點(diǎn)云過濾。拼接后的房屋點(diǎn)云與實(shí)際建筑物形狀基本一致，無明顯的錯(cuò)層、偏移等問題，如圖4所示。

圖4 拼接后的點(diǎn)云

(5)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用控制點(diǎn)G1、G2、G3對(duì)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并用G4及全站儀采集的墻體特征點(diǎn)作為點(diǎn)云精度檢查點(diǎn)，驗(yàn)證點(diǎn)云坐標(biāo)的精度和可靠性。其中G4、tj為三維檢查點(diǎn)，qt1～qt4為平面檢查點(diǎn)。具體如表4所示，平面較差和高程較差均滿足GB50026-2007《工程測(cè)量規(guī)范》工礦區(qū)主要建(構(gòu))筑物平面點(diǎn)位中誤差小于 5 cm，高程中誤差小于 2 cm的要求[11]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢驗(yàn)點(diǎn)精度表 表4

(6)平立剖面圖繪制

對(duì)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行橫剖、縱剖處理，再結(jié)合三維激光掃描儀在掃描時(shí)拍攝的全景照片全方位無遺漏地繪制出老宅的平面圖、立面圖、屋頂投影圖、東西剖面和南北剖面圖，分別如圖5～圖9所示。

圖5 總平面圖

圖6 立面圖

圖7 屋頂投影圖

圖8 東西剖面圖

圖9 南北剖面圖

4 結(jié) 論

三維激光掃描測(cè)量作為新型測(cè)繪技術(shù)的一種，具有高精度、大范圍、免接觸等的特點(diǎn)，近年來被逐漸應(yīng)用到測(cè)繪行業(yè)中。老宅改造作為歷史建筑物保護(hù)工作，需要全方位、無遺漏地還原建筑結(jié)構(gòu)。基于三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)，本文詳細(xì)闡述了三維激光掃描技術(shù)原理和在老宅改造過程技術(shù)流程，結(jié)合實(shí)際案例總結(jié)了一套適用于老宅改造測(cè)量的技術(shù)方案，為以后的古建筑物保護(hù)工作提供了很好的參考價(jià)值。