基于多種三維激光點(diǎn)云獲取技術(shù)的歷史建筑測(cè)繪研究

錢正偉，孫雪梅，楊留方

(常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003)

1 引 言

歷史建筑是城市歷史文化發(fā)展的生動(dòng)載體，是城市歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)工作的重要組成部分，對(duì)歷史建筑進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪、建立健全歷史建筑檔案是當(dāng)前歷史建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要內(nèi)容。不同于一般建筑測(cè)繪，歷史建筑包含梁、檁、枋、板、椽、斗拱、屋脊等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測(cè)量方法測(cè)出的結(jié)構(gòu)圖可以表達(dá)建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu)，測(cè)繪作業(yè)工作量隨著歷史建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)表達(dá)的細(xì)化而大幅增加，同時(shí)由于技術(shù)手段的局限，難以對(duì)歷史建筑進(jìn)行快速測(cè)繪，無(wú)法對(duì)建筑立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá)，傳統(tǒng)測(cè)繪作業(yè)通常需要近距離接觸歷史檢出，容易造成歷史建筑的二次損壞[1]。三維激光掃描技術(shù)是一種非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù)，可以快速重構(gòu)建筑的全方位立體空間，快速建立物體三維模型、真實(shí)反映物體三維空間分布，完整描述古建筑的細(xì)部結(jié)構(gòu)，為古建筑測(cè)繪與保護(hù)提供了全新的思路[2]。本文從三維激光掃描點(diǎn)云獲取技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，介紹歷史建筑測(cè)繪作業(yè)流程，分析作業(yè)中的重難點(diǎn)，并以常州市歷史建筑普查為例，介紹三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用情況。

2 三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描儀相當(dāng)于一個(gè)高速測(cè)量的全站儀，通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)被測(cè)目標(biāo)按照事先設(shè)置的分辨率進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理，獲取物體表面三維坐標(biāo)和反射屬性，形成沿被掃描物體空間分布的三維點(diǎn)云，表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸及形狀。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行歷史建筑測(cè)繪有如下優(yōu)勢(shì)[3]：

(1)非接觸式，無(wú)須接觸目標(biāo)即可快速確定目標(biāo)體的三維信息，避免了傳統(tǒng)測(cè)繪方法可能對(duì)古建筑造成的損害；

(2)數(shù)據(jù)采集的高密度性，按設(shè)定的采樣間隔對(duì)物體進(jìn)行掃描，可以獲取包括歷史建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)在內(nèi)的全方位信息，大幅降低復(fù)雜歷史建筑測(cè)繪工作量；

(3)穿透性，三維激光掃描儀可以穿透如水、玻璃、稀疏植被等物質(zhì)進(jìn)行掃描，可一定程度上解決歷史建筑遮擋問(wèn)題；

(4)主動(dòng)性，三維激光掃描儀主動(dòng)發(fā)射光源，掃描不受時(shí)間和空間的限制，對(duì)光亮和溫度均無(wú)要求，適用于古建筑室內(nèi)、室外不同環(huán)境全天候掃描測(cè)繪；

(5)全數(shù)字化，三維激光掃描獲取到的點(diǎn)云包含采集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度、顏色屬性等信息，可以作為實(shí)景三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于歷史建筑三維可視化。

3 基于三維激光掃描技術(shù)的歷史建筑測(cè)繪流程

歷史建筑測(cè)繪一般按照“踏勘拍照—勾繪草圖—地形測(cè)繪—建筑測(cè)繪—測(cè)稿整理校核—機(jī)繪成圖”的流程開(kāi)展工作，各類建筑圖一般按照“平面圖—立面圖—剖面圖—大樣圖”的先后順序測(cè)繪，從整體到局部，先控制后細(xì)節(jié)，先木構(gòu)后瓦作。基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑測(cè)繪整體分為數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云融合處理及建筑單體圖繪制三大部分。

3.1 點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)的采集

利用三維激光掃描儀進(jìn)行古建筑測(cè)繪時(shí)遵循“從整體到局部，先控制后細(xì)部”的測(cè)量基本原則，確定建筑物控制點(diǎn)、線位置，測(cè)量控制性尺寸，統(tǒng)一整體測(cè)量工作。建筑群及建筑單體外立面采用架站式三維激光掃描儀進(jìn)行整體控制掃描，通常針對(duì)不同的建構(gòu)筑物，規(guī)劃測(cè)量路線，一般從室外到室內(nèi)再到室外、從樓下至樓上通過(guò)標(biāo)靶拼接實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物的三維實(shí)景全掃描。對(duì)于空間狹小或樓上不便架設(shè)掃描儀的部位，為保留歷史建筑詳細(xì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用輕便、小巧的手持掃描儀進(jìn)行局部掃描，并通過(guò)標(biāo)靶或公共點(diǎn)進(jìn)行與整體點(diǎn)云的拼接。對(duì)于細(xì)部構(gòu)造復(fù)雜的門窗、墻面、浮雕測(cè)繪，采用近景攝影測(cè)量方法補(bǔ)充測(cè)量，通過(guò)架設(shè)梯子等方式對(duì)待測(cè)部位進(jìn)行正拍對(duì)象，并量取被攝物體的尺寸或特征點(diǎn)的坐標(biāo)，并進(jìn)行相片糾正。而對(duì)屋頂?shù)燃す鈷呙鑳x無(wú)法掃描的區(qū)域，可以利用無(wú)人機(jī)航飛的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集補(bǔ)充。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的融合與處理

現(xiàn)場(chǎng)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是測(cè)站式的、離散的多種格式與類型的數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，主要包括：信息檢查、點(diǎn)云的拼接、點(diǎn)云降噪及抽稀、重生成坐標(biāo)系、融合處理等：

(1)信息檢查：將外業(yè)獲取的三維坐標(biāo)點(diǎn)按格式導(dǎo)入點(diǎn)云處理軟件中，對(duì)每類數(shù)據(jù)進(jìn)行信息查詢，包括點(diǎn)云信息、標(biāo)靶名稱與位置等信息，如果有信息錯(cuò)誤，進(jìn)行人工屬性更改，確定無(wú)誤后進(jìn)行點(diǎn)云拼接工作；

(2)點(diǎn)云的拼接：按照標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云拼接工作，將核實(shí)后的點(diǎn)云在新數(shù)據(jù)庫(kù)中按標(biāo)靶進(jìn)行拼接工作。若出現(xiàn)拼接失敗或誤差較大，則根據(jù)錯(cuò)誤提示對(duì)點(diǎn)云信息進(jìn)行檢查更改，將拼接完成后的整體點(diǎn)云模型進(jìn)行檢查完整性和準(zhǔn)確性[4，5]。

(3)點(diǎn)云降噪及抽稀：三維激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量大，現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，需要對(duì)點(diǎn)云模型的降噪和抽稀工作，隱藏噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，保留可用點(diǎn)云數(shù)據(jù)[6]。

(4)重構(gòu)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)融合：由于通過(guò)多種方法和不同設(shè)備采集的點(diǎn)云坐標(biāo)系原因，拼接完成后的點(diǎn)云可能是多方向的點(diǎn)云，對(duì)坐標(biāo)系不同點(diǎn)云模型進(jìn)行坐標(biāo)系重建工作。實(shí)際操作時(shí)，可采用人工交互的方法對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片，在切片上進(jìn)行坐標(biāo)系重構(gòu)工作，完成坐標(biāo)系重構(gòu)后即可生成歷史建筑三維點(diǎn)云專題圖。

3.3 建筑單體圖繪制

處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可通過(guò)Cloud Work for CAD軟件導(dǎo)入CAD平臺(tái)，進(jìn)行建筑單體圖繪制。繪制時(shí)可在相應(yīng)立面視圖下利用切片工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，在切片點(diǎn)云上進(jìn)行描繪，形成歷史建筑平面、立面、剖面圖樣。大樣圖繪制時(shí)將點(diǎn)云縮放至局部進(jìn)行切片、重新加載點(diǎn)云，即可放大至細(xì)部構(gòu)件(如門窗雕花、垂脊、吻獸等細(xì)部大樣)，按平立剖描繪工作樣式進(jìn)行大樣圖的描繪工作。描繪結(jié)果在專業(yè)繪圖軟件的輔助下可進(jìn)行建筑平面圖、立面圖、大樣詳圖的繪制工作。由于切片點(diǎn)云描繪成果不含圖件屬性以及尺寸不符合數(shù)據(jù)要求等原因，需進(jìn)行平立剖的二次加工、文字信息標(biāo)注及屬性附加等工作。

4 常州市歷史建筑測(cè)繪

4.1 常州市歷史建筑特點(diǎn)

常州市于2015年～2017年間，對(duì)全市歷史建筑進(jìn)行測(cè)繪，建筑群整體控制掃描采用Leica P40架站式掃描儀、建筑單體精細(xì)掃描采用Leica RTC360架站式掃描儀、木雕、彩繪、附屬物增強(qiáng)掃描采用Geo SLAM手持掃描儀、遮擋區(qū)域補(bǔ)充近景攝影測(cè)量，建筑群無(wú)法掃描到的屋頂位置，則配合無(wú)人機(jī)航飛獲取。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因地制宜選擇合適的測(cè)量方法，近代民居、廠房等歷史建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可采用以三維激光掃描儀、全站儀測(cè)繪為主，測(cè)距、測(cè)高、拍照等輔助技術(shù)完成建筑圖測(cè)繪；復(fù)雜建筑及重點(diǎn)保護(hù)建筑宜采用三維激光掃描和近景攝影為主的測(cè)繪方法。

本次普查的歷史建筑既包括結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的民居，又包括天寧寺、青果巷等復(fù)雜歷史建筑群。天寧寺等復(fù)雜歷史建筑有獨(dú)特的屋頂、屋身和臺(tái)基，細(xì)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)測(cè)繪方式和測(cè)繪步驟提出了一定要求；部分歷史建筑由于后期改、翻建嚴(yán)重，歷史建筑原有風(fēng)貌和格局有了較大改動(dòng)，如大錢村民宅，原是一座三進(jìn)三開(kāi)的宅院式歷史建筑，由于人為原因，原三進(jìn)三開(kāi)間現(xiàn)被后期圍墻分割為九宮格樣式，室內(nèi)、外遮擋也更為嚴(yán)重，同時(shí)由于部分歷史建筑住人的緣故，室內(nèi)堆積物較多，造成大量冗余點(diǎn)云，影響了歷史建筑三維點(diǎn)云模型的精度，進(jìn)而影響歷史建筑繪制的準(zhǔn)確度。

4.2 常州市歷史建筑測(cè)繪技術(shù)路線

(1)“蛇形掃描線路”歷史建筑全覆蓋掃描

為了獲取歷史建筑的全景三維點(diǎn)云風(fēng)貌，不降低測(cè)站間掃描點(diǎn)云拼接精度，常州市歷史建筑普查中采取了蛇形掃描線路進(jìn)行掃描，即從一側(cè)室外通過(guò)支導(dǎo)線經(jīng)由室內(nèi)至室外、再經(jīng)另一隔間室內(nèi)到室外控制點(diǎn)方法獲取全景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在轉(zhuǎn)折點(diǎn)、重要拼接站點(diǎn)進(jìn)行多標(biāo)靶精度控制測(cè)量。

(2)多種點(diǎn)云獲取方式相結(jié)合，解決測(cè)站間無(wú)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云整體化問(wèn)題

復(fù)雜歷史建筑局部區(qū)域部分區(qū)域無(wú)法采用Leica P40地面三維激光掃描儀進(jìn)行全景掃描，掃描測(cè)站間也無(wú)法利用標(biāo)靶進(jìn)行拼接，造成點(diǎn)云整體化后部分點(diǎn)云缺失，呈現(xiàn)點(diǎn)云模型部分區(qū)域空白化。為了解決這一問(wèn)題，采用了Leica P40地面三維激光掃描儀與Leica BLK60三維激光掃描儀相結(jié)合。利用輕便型掃描儀BLK60進(jìn)行點(diǎn)云補(bǔ)充掃描，將獲取的點(diǎn)云在Cyclone中利用同名點(diǎn)，通過(guò)人機(jī)交互方法進(jìn)行點(diǎn)云二次拼接，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云的整體化。

(3)遮擋區(qū)域點(diǎn)云降噪抽稀處理

針對(duì)本次普查中的室內(nèi)外堆積物造成的冗余點(diǎn)云問(wèn)題，由于冗余點(diǎn)云與歷史建筑點(diǎn)云混合在一起，無(wú)法進(jìn)行人工篩選剔除，對(duì)于此類冗余點(diǎn)云，主要采取了點(diǎn)云分層處理，對(duì)測(cè)站點(diǎn)云進(jìn)行分層，隱藏非目標(biāo)區(qū)域圖層，利用Cyclone提供的Box Fence功能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行局部選擇，將不同區(qū)域或不同測(cè)站的點(diǎn)云拆離至不同的點(diǎn)云圖層，通過(guò)不同的視角將冗余點(diǎn)云數(shù)據(jù)拆離，從而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云的快速降噪處理。處理后的點(diǎn)云三維模型如圖1所示。

圖1 處理后的點(diǎn)云三維模型

(4)Cloud Work實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的快捷應(yīng)用

通過(guò)Cloud Work for CAD模塊對(duì)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，將三維立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至CAD，快速切片，通過(guò)隱藏切片外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，切換不同的視圖，將三維立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為二維平面數(shù)據(jù)，從而快速生成二維線畫圖，即所需的建筑平立剖面(圖2)。通過(guò)Cloud Work for 3DMax模塊對(duì)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行三維建模，將三維立體點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至3ds Max，進(jìn)行快速建模，將三維點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換為三維立體模型[7]。

圖2 青果巷歷史建筑立面圖

4.3 精度檢核與分析

為檢核三維激光掃描測(cè)繪成果精度，隨機(jī)選取歷史建筑測(cè)繪成果進(jìn)行質(zhì)量檢查。通過(guò)對(duì)比全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)，三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取建筑物特征點(diǎn)、線中誤差在 2 cm左右，滿足建筑物立面測(cè)繪要求；采用測(cè)距儀實(shí)地測(cè)量歷史建筑物的長(zhǎng)度、寬度邊長(zhǎng)數(shù)據(jù)，與成果圖對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)較差比較，邊長(zhǎng)較差最大 7 mm；采用四等水準(zhǔn)測(cè)量樣本歷史建筑物的地坪高，檢測(cè)高程與成果高程做比較，較差最大 5 mm，滿足古建筑測(cè)繪建筑丈量 2.5 cm精度、地坪高 3 cm的精度要求，滿足歷史建筑變形監(jiān)測(cè)精度要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及古建筑測(cè)繪要求出發(fā)，介紹利用激光三維掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)繪的作業(yè)流程，并以常州市歷史建筑普查為例，介紹三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的重難點(diǎn)。常州古建筑存在歷史民居及復(fù)雜歷史建筑并存的情況，細(xì)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、遮擋及冗余點(diǎn)云較多，給三維激光掃描及點(diǎn)云處理帶來(lái)了一定難度。普查中充分發(fā)揮多種掃描儀同時(shí)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)蛇形掃描路線實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)外部全覆蓋，解決測(cè)站間點(diǎn)云空白無(wú)法整體化問(wèn)題，通過(guò)點(diǎn)云分層降噪抽稀可以提高冗余點(diǎn)云處理效率。通過(guò)多種方法和不同設(shè)備采集的點(diǎn)云進(jìn)行技術(shù)融合。實(shí)際作業(yè)結(jié)果特征點(diǎn)、線、古建筑邊長(zhǎng)、地坪高等要素精度檢核均在誤差范圍內(nèi)，符合歷史建筑測(cè)繪要求。而利用激光點(diǎn)云成果可進(jìn)行歷史建筑快速三維建模，點(diǎn)云信息中包含的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、顏色等信息也為后續(xù)歷史建筑修繕和保護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]。