法如激光三维扫描仪在古建筑保护领域应用.doc

三维激光扫描技术21世纪初，三维激光开始被应用于古建筑测绘领域，如用于故宫修复测绘、和数码相机相结合对古建筑物进行快速三维重建等，实现古建的数字化存档，为研究中国古建筑史和建筑理论提供重要资料。三维激光在古建筑保护中相对于传统测绘手段而言更显示出其独特的、无法取代的优越性。然而，由于建筑本身的特性以及技术本身的局限性，也使得三维激光用于古建筑测绘存在一定的缺陷，且技术含量较高，硬件设备昂贵，投入大，易受古建筑物周围高大树木遮挡等，实际实施往往有难度。三维激光扫描仪（FaroFocus3D）图 Faro大场景地面三维激光扫描仪系统概述三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，通过现场扫描操作直接将各种大型、复杂、不规则的、标准或非标准等实体三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等，它是各种正向工程工具的对称应用工具，即逆向工程工具。它区别于传统的单点定位测量、点线测绘技术及照相测量技术。 图 三维激光扫描仪三维激光扫描可以同时获取空间三维点云Pointcloud和彩色数字图像两种数据，扫描点空间定位精度达到5mm10mm，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取和地面遥感探测及三维建模方面的研究热点。近年来，该项技术在欧美等国家和地区的应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面发挥了巨大优势。工作原理三维激光扫描技术，是通过内部的激光脉冲发射器向目标物发出激光脉冲，通过反光镜旋转，发出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体返回的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被测物体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块可测量每个激光脉冲的水平扫描角和竖向扫描角，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。系统组成FARO激光三维扫描仪系统由硬件和软件两部分组成。1、 硬件部分FARO激光三维扫描仪系统硬件部分组成主要包括扫描仪（包含激光发射器、彩色照相机及操作显示屏）、三脚架、云台。2、 软件部分FARO激光三维扫描系统软件部分包括四部分：点云扫描处理软件FARO Scene、数据共享软件SCENE WebShare。三维激光扫描技术的具体应用需求如下：古建筑三维数据的采集（1）古建筑全貌现状三维信息采集及数据库建立目前在文物管理过程中针对古建筑都进行了测绘及图纸绘制工作。但以往的测绘方式和图纸只能反映建筑的结构形式，由于中国木构建筑结构的特殊性，现存的古建筑梁架结构都存在变形情况，而这些重要的变形数据传统的测绘手段却难以准确获得。三维激光扫描技术可以在短时间内以海量点的形式对古建筑进行数据采集，后期可以通过专业的软件利用这些海量数据绘制出古建筑的现状图纸或生成现状模型。（2）古建筑中木雕、砖雕等结构件的精准数据采集及开发中国传统的古建筑大量采用木雕、石雕作为装饰，寓意深远且做工精美，在漫长的历史岁月里，人为及自然原因导致了很多雕刻正在慢慢消失，采用更高精度的白光、蓝光等扫描仪可以将这些内容进行数字化的提取，形成数据档案，甚至做成专业的不同门类的数据库。这样的数据不仅仅在学术研究方面能够带来大量的帮助，通过专业的操作软件及高精度的3D打印技术还可以将这些雕刻精准的复制出来，在具体的工程维修、仿建等方面也会有积极的促进作用，通过对其文化元素的提取，还可以结合当代工艺美术领域，创意出不同材质、规格、类型的衍生产品，带动一方经济。古建筑的现状图纸提供记录现状与指导施工分属测绘与设计两个专业，原本就是两种截然不同的工作，虽然古建筑的修复设计是以现状测绘为基础的，但这并不代表两者必须合二为一。目前，两者由同一人完成的工作模式有它产生的技术背景，伴随着三维激光扫描仪的出现，如今我们完全可以把两者分开来做。传统工作模式的改变，实质上是生产力发展过程中分工细化的必然结果。下图为古建筑现状图。记录现状不是非常必要绘制二维线条图。正射影像图是利用点云构建的三角网模型纠正了由诸多因素（特别是中心投影）引起的图像变形的照片。因为同时拥有精细的影像和准确的尺寸，能够真实地反映出建筑原貌，所以建筑立面的正射影像图具备了代替现状测绘图纸的条件。我们只需在上面标注好尺寸，即可方便使用。古建筑修复的设计图纸在古建修缮工程中，进行准确、全面的现状测量是分析结构变形和绘制设计图纸的基础工作。点云的高密度、可视化特点为人们提供了仿真的工作环境，相当于把现场转移到了办公桌上，因此我们可以根据点云开展“桌面测量”。具体的操作方法是：修复设计人员应用特殊插件将点云导入常用的工程制图软件（如AutoCAD、Microstation等），之后就能在彩色点云（图7）及点云切片（图8）上直接量取所需数值，并勾绘建筑外形用于设计制图。这是一个将逆向采集得到数据进行正向处理和表达的过程。从准确性的角度讲，点云作为原始测量数据应该被古建专业人员直接使用。开展“桌面测量”是获取信息最为简单、有效的途径，也是目前为业内人士所普遍认可的方法。安全性监测及预警分析中国现存大量明清古建筑，在局部地区甚至保存下来宋、唐、汉等更加久远的建筑堪称国宝。经历漫长的岁月，地形变化、自然侵蚀、人为等因素这些保存下来的古建筑都或多或少的存在沉降、倾斜、开裂等变形情况。有些变形已经对古建筑的安全构成了威胁。根据古建筑的不同现状，制定有针对性的方式方法来保护这些建筑的安全性是至关重要的，但这些建筑绝大部分都没有完整的现状基础数据。而要对古建筑进行安全性监测，完整、准确的现状数据是首先需要掌握的资料，我们利用三维数字化技术可以将这些建筑全面、完整的基础数据采集下来，今后可定期对这些建筑进行扫描并将历次的扫描数据同原始数据进行比对，掌握建筑全面的变化情况并可制定相应的安全预案。大木构架变形情况分析大木构架的整体变形情况是对古建筑损毁程度进行判断的重要依据，但它却是传统手段无法观测的。我们将三维激光扫描技术与控制测量技术联合使用，通过控制点把诸多站位的点云拼接到一起（图4），就能快速、准确获得大木构架的完整观测数据，进而开展变形分析工作。以实测的