GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護案例

古建筑蔓延了歷史文脈，是人類文明的載體。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，古建

筑的價值逐漸受到人們的度重視。對于古建筑， 必須采取積的手段

進行保護與利用。保護與利用的過程需要對古建筑進行維護、整理與修

復(fù)，同時也需要保護或恢復(fù)歷 史街區(qū)的空間格局與尺度。重大歷史建筑

在修復(fù)前都需要進行的測量，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建

筑的規(guī) 劃保護和修復(fù)提供手資料，同時也是研究古建筑史和建筑理

論的重要資料。

項目系統(tǒng)介紹

一、現(xiàn)狀分析 
目前階段，認識古建筑和研究古建筑的普遍途徑是手工測繪以及普通測量。我傳統(tǒng)的古建筑測繪方法一般為人工實量法。 
由于這一方法費時費工、效率不，難以保證觀測結(jié)果的精度，而且成本也不安全，人們越來越體會到使用這一方法的 
不便性。近年來隨著空間定位技術(shù)、計算機技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，古建筑測繪技術(shù)已進入數(shù)字化時代，已發(fā)展成為 
以 3S 集成為特征的新技術(shù)應(yīng)用。 
二、存在問題 
為了減小測量誤差，提測量結(jié)果的精度，需要了解誤差的主要來源及產(chǎn)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施。古建筑測繪中 
存在的問題主要有： 
1. 建筑物現(xiàn)狀問題：由于長期承受荷載、基礎(chǔ)的不均勻沉降、材質(zhì)的不同還有外界自然因素的影響等，構(gòu)件發(fā)生不同程度 
的收縮、彎曲等多種變形以及其他部位的損壞。 
2. 總尺寸與分尺寸不統(tǒng)一，即各個組成部分分別測出的尺寸之和與整體測出的尺寸不符。 
相對于這兩大問題，解決的方法和應(yīng)當遵循的原則如下： 
1. 對結(jié)構(gòu)有重大影響的變形及破壞應(yīng)按照原有狀態(tài)測繪，選擇若干個同類構(gòu)件進行測量和比較，找出其中量大的數(shù)值作 
為這類構(gòu)件的統(tǒng)一尺寸； 
2. 對結(jié)構(gòu)沒有重大影響的變形及損壞應(yīng)依照現(xiàn)狀測繪，以真實地表達古建筑的存在狀態(tài)，保持其歷史感和時間感； 
3. 次要尺寸服從主要尺寸 , 分尺寸服從于總尺寸 , 少數(shù)服從多數(shù)； 
4. 后換構(gòu)件應(yīng)服從于原始構(gòu)件。應(yīng)找出建筑物各個部分的原始構(gòu)件加以測量。從而定出統(tǒng)一尺寸。而不能以某一構(gòu)件的某 
個尺寸數(shù)量多，或某個構(gòu)件保存得完好，來決定統(tǒng)一尺寸。 

拓普康三維激光掃描技術(shù)勢

在古建筑研究的活動中，用戶需要關(guān)于研究對象的完整性數(shù)據(jù)。三維激光

掃描技術(shù)是一項通過密度的掃描點來記錄和表達被測古建筑形狀的技

術(shù)，三維點云是原始的測量數(shù)據(jù)，被測建筑物的幾何空間信息都被包含

其中。如何利用點云，如何在點云的基礎(chǔ)上通過軟件來提取空間信息，決

定了三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護及維護行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用方式和成果形

式。

從對點云的應(yīng)用方式來看，可分為檔案記錄型應(yīng)用、尺寸量測型應(yīng)用、三

維可視化型應(yīng)用和逆向重建應(yīng)用。從終的提交成果形式可分為二維圖件

形式（各種平、立、剖面圖，等值線圖）和三維圖件形式（三維密度點

云數(shù)據(jù)、三維 CAD 模型、三角圖片格網(wǎng)等）。利用三維激光掃描技術(shù)進

行古建的保護，目前主要集中在檔案記錄、三維可視化及虛擬三維重建幾

個方面。

1. 非接觸式測量

運用免棱鏡測量的工作模式，工作人員無需攀爬到樓頂，也可以獲取確

的數(shù)據(jù)，既能保護文物的安全，也能保障工作人員的安全。

2. 三維可視化

由于三維激光掃描技術(shù)是以較的密度連續(xù)采集等間隔的點，而且每個點

具有三維坐標、點所處被測古建筑表面材質(zhì)反射度和顏色信息，因此我

們可以直接通過將這些記錄被測古建筑的點在同一窗口內(nèi)顯示的方法來瀏

覽和觀察被測古建筑的外觀和內(nèi)部特征。由于三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)快

速，被測古建筑可在的時間間隔內(nèi)被多次測量，方便用戶分析其變

形情況，并在關(guān)鍵部位標注符號，標明該部位的實時狀態(tài)。

3. 虛擬三維重建

被測古建筑的點云集合可以看做是立體模型。點云模型可以構(gòu)建三維數(shù)字

模型，以作虛擬現(xiàn)實和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類工程圖、結(jié)構(gòu)圖、

切面圖等。自此實現(xiàn)室內(nèi)外空間模型的*一體化和模型建構(gòu)的*

可逆操作，有助于古建研究以及其他利用其在各自領(lǐng)域作更深的拓展

研究。全面的古建筑模型信息可以幫助研究人員更加深入地探究古建筑

的結(jié)構(gòu)、藝術(shù)價值、營造方法。

應(yīng)用案例 — *故居（使用 GLS-1500）

*故居始建于 1892 年，2002 年 6 月 25 日，務(wù)yuan確定張聞

天故居為全重點文物保護單位。2003 年 1 月，被上海市政府命名

為“上海市愛主義教育基地”。

為了更好的保護*故居，我們進行了建筑物掃描、建筑物點云數(shù)據(jù)處

理與編輯、可視化平臺下的模型展示及虛擬三維重建的工作。

圖 1 數(shù)據(jù)采集方案示意圖

2. 點云拼接

外業(yè)測量根據(jù)上段所述 3 個測站按順序進行了測量。本項目采用了 GLS-

1500 *的一體化集成操作模式，并從連接點測量、測站 / 后視測量和

導(dǎo)入坐標值測量法等三種測量方法中， 選擇了連接點測量方法進行

測試。連接點測量方法測量法簡單、且易操作，適用于測量范圍在

330 米之內(nèi)的區(qū)域。

外業(yè)測量過程中，待測對象和標靶是分開進行掃描和測量的。我們可以首

先選擇測量標靶的命令，照標靶位置，記錄點位。之后，在同一個測站

位置上，我們選定測量區(qū)域，測量距離與間距，掃描儀即可自動開始

掃描。在內(nèi)業(yè)處理過程中，將測站一、測站二及測站三的點云數(shù)據(jù)、圖像

數(shù)據(jù)及連接點數(shù)據(jù)（標靶）輸入到后處理軟件，并將不同測站下的相同連

接點（標靶）一一對應(yīng)，可將點云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標系下了。

拼接完成后的點云效果如下圖：圖 3 整體建筑點云效果圖 4 局部建筑點云

1. 數(shù)據(jù)采集方案

經(jīng)過現(xiàn)場勘察分析，我們共布置了 3 個測站，并將測站和測站使用標靶

連接點方法進行了拼接。測站、標靶分布如下圖所示：

3. 建模流程

三維模型建立的流程一般由特征線提取和模型構(gòu)建兩部分組成。

A、特征線提取

特征線提取可采用多種方法。如自動提取剖面、等值線，根據(jù)電云自動擬

合線段、圓柱、圓錐、多邊形等基本幾何形狀等。

本項目成果包括單線結(jié)構(gòu)圖，提取時采用了先繪制三維結(jié)構(gòu)線，再統(tǒng)一投

影到同一二維平面的方法，以保證結(jié)構(gòu)線的平面精度。本項目提取所采用

的使用的軟件為 Topcon 公司自行研制開發(fā)的后處理軟件及 AutoDesk

公司的 AutoCAD 軟件。

B、三維模型和虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)建

基于線劃圖的三維模型創(chuàng)建方法的主要思想是由線成面。將 CAD 線劃圖

導(dǎo)入 3DMax 軟件中?；邳c云每個方向構(gòu)件的線劃

圖間都具有確的位置關(guān)系，將前后左右上下六個立面圖一同導(dǎo)入后，可

合成完整的建筑結(jié)構(gòu)圖（圖 9）。

在這個完整的線框圖上，可根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)，逐一搭建實體模型，比如

3DMax 里的基礎(chǔ)幾何模型 BOX，PLANE 等（圖

10）。

逐步細化模型直至整體建筑模型大體形態(tài)基本成型（圖 11）。

之后將基礎(chǔ)模型進行紋理貼圖，并對整個場景的燈光進行設(shè)置（圖

12）。

在 3DMAX 里面將模型貼圖整理完成，并且檢查無誤后。將整個場景導(dǎo)

入三維虛擬平臺，進行平臺測試。在平臺中添加天空、景深效果，以及對

一些材質(zhì)做細化處理（如反射等）以求更好的表現(xiàn)效果。然后進行

UI（用戶界面）設(shè)計，添加天氣系統(tǒng)等，使虛擬現(xiàn)實場景具備漫游設(shè)置、

測量距離等功能。

使用三維激光掃描儀比較常規(guī)測量儀器對建筑物進行測量與成圖工作，它

更具有掃描速度快、實時性、精度、主動性、全數(shù)字特征等特點，

可以大地降低成本，節(jié)約時間，而且使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)與設(shè)計圖紙進

行分析比較，以確定其形變誤差大小等。三維激光掃描測量技術(shù)已經(jīng)在測

繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。激光掃描技術(shù)在大建筑物數(shù)字程模型的

的實時獲取方面已經(jīng)表現(xiàn)出大的勢，成為攝影測量與遙感技術(shù)的一個

重要補充?，F(xiàn)在在大型建筑的變形監(jiān)測工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)方面等

均有成功的應(yīng)用實例。

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