1、引言

　　古建築延續了(le)曆史文(wén)脈,是(shì)人(rén)類(lèi)文(wén)明(míng)的(de)载(zài)體(tǐ)。随着社会(huì)的(de)發(fà)展(zhǎn),古建築的(de)價值逐渐受到(dào)人(rén)们的(de)高度(dù)重(zhòng)视。对(duì)于古建築,必須采取(qǔ)积极(jí)的(de)手(shǒu)段(duàn)進(jìn)行保護和(hé)利用(yòng)。保護和(hé)利用(yòng)过(guò)程需要(yào)对(duì)古建築進(jìn)行精确的(de)測繪工作(zuò),传統的(de)由(yóu)建築师(shī)手(shǒu)繪的(de)結構图(tú)和(hé)由(yóu)地(dì)面(miàn)近(jìn)景攝影測量(liàng)方(fāng)法(fǎ)測出(chū)的(de)結構图(tú)可(kě)以(yǐ)表(biǎo)达(dá)建築的(de)關(guān)鍵部(bù)位(wèi)和(hé)整體(tǐ)結構,但由(yóu)于技術(shù)手(shǒu)段(duàn)的(de)局(jú)限,難以(yǐ)对(duì)古建築進(jìn)行快(kuài)速測繪和(hé)对(duì)建築立體(tǐ)空(kōng)間(jiān)進(jìn)行清(qīng)晰的(de)表(biǎo)达(dá)。随着經(jīng)濟的(de)發(fà)展(zhǎn)，科技在(zài)不(bù)斷的(de)創新(xīn)，近(jìn)期(qī)發(fà)展(zhǎn)的(de)一(yī)項高新(xīn)技術(shù)--三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)，这(zhè)種(zhǒng)技術(shù)具有(yǒu)的(de)优勢所(suǒ)在(zài)，通过(guò)激光(guāng)測距原理(lǐ)（包(bāo)括脈沖激光(guāng)和(hé)相位(wèi)激光(guāng)），利用(yòng)三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)获取(qǔ)的(de)空(kōng)間(jiān)點(diǎn)雲(yún)數據(jù),可(kě)快(kuài)速建立結構複雜、不(bù)規則的(de)场(chǎng)景的(de)三(sān)維可(kě)视化(huà)模型,既省(shěng)时(shí)又省(shěng)力,这(zhè)種(zhǒng)能(néng)力是(shì)現(xiàn)行的(de)三(sān)維建模软(ruǎn)件(jiàn)所(suǒ)不(bù)可(kě)比拟的(de)。作(zuò)为(wèi)新(xīn)的(de)高科技産品，三(sān)維激光(guāng)扫描儀已經(jīng)成(chéng)功的(de)在(zài)文(wén)物(wù)保護、城(chéng)市建築測量(liàng)、地(dì)形測繪等領域里(lǐ)應(yìng)用(yòng)。

　　2、三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)與(yǔ)传統古建築測繪技術(shù)的(de)对(duì)比分(fēn)析

　　传統的(de)古建築測繪方(fāng)法(fǎ)是(shì)以(yǐ)直(zhí)尺(chǐ)和(hé)角(jiǎo)尺(chǐ)、垂球等工具直(zhí)接量(liàng)取(qǔ)建築物(wù)及(jí)其(qí)構件(jiàn)的(de)尺(chǐ)寸(cùn),而(ér)获取(qǔ)的(de)最(zuì)終(zhōng)資料是(shì)“图(tú)樣(yàng)”(即图(tú)紙(zhǐ))和(hé)一(yī)些文(wén)字(zì)記(jì)录(lù)。後(hòu)来(lái)又出(chū)現(xiàn)利用(yòng)了(le)近(jìn)景攝影地(dì)方(fāng)法(fǎ)進(jìn)行古建築測繪。近(jìn)景攝影測量(liàng)的(de)两(liǎng)部(bù)分(fēn)工作(zuò)中(zhōng)(攝影及(jí)影像處(chù)理(lǐ)和(hé)制图(tú))采用(yòng)的(de)是(shì)光(guāng)學(xué)方(fāng)法(fǎ)和(hé)模拟制图(tú)工藝,最(zuì)終(zhōng)成(chéng)果(guǒ)是(shì)以(yǐ)光(guāng)學(xué)像片(piàn)表(biǎo)示的(de)影像資料和(hé)以(yǐ)紙(zhǐ)質(zhì)形式表(biǎo)示的(de)图(tú)件(jiàn)資料。三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù),它(tā)具有(yǒu)快(kuài)速、精确、多(duō)方(fāng)位(wèi)的(de)特(tè)點(diǎn),它(tā)能(néng)夠快(kuài)速获取(qǔ)點(diǎn)密度(dù)和(hé)精度(dù)都非(fēi)常高的(de)建築物(wù)點(diǎn)雲(yún)數據(jù),可(kě)廣泛應(yìng)用(yòng)于古建築和(hé)古文(wén)物(wù)模型的(de)重(zhòng)建等逆向(xiàng)工程中(zhōng)。

　　與(yǔ)传統古建築測繪技術(shù)相比,三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)存在(zài)明(míng)顯的(de)优勢。传統的(de)古建測繪方(fāng)法(fǎ)获得的(de)是(shì)“图(tú)樣(yàng)”,近(jìn)景攝影測量(liàng)的(de)最(zuì)終(zhōng)成(chéng)果(guǒ)是(shì)測繪建築物(wù)平面(miàn)图(tú)、截面(miàn)图(tú)、立面(miàn)图(tú)等。这(zhè)两(liǎng)種(zhǒng)測繪技術(shù)获得的(de)均是(shì)反(fǎn)映建築物(wù)信(xìn)息的(de)二(èr)維平面(miàn)图(tú)紙(zhǐ),而(ér)三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)获得的(de)數據(jù)則是(shì)建築物(wù)的(de)三(sān)維空(kōng)間(jiān)模型,模型中(zhōng)包(bāo)含了(le)建築所(suǒ)有(yǒu)結構、细(xì)部(bù)乃至(zhì)材質(zhì)信(xìn)息。三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)能(néng)夠在(zài)幾(jǐ)个(gè)小时(shí)內(nèi)获得传統測繪方(fāng)式數天(tiān)或(huò)者(zhě)更(gèng)长(cháng)时(shí)間(jiān)都不(bù)能(néng)获得的(de)古建信(xìn)息,相比传統測繪方(fāng)法(fǎ),它(tā)节(jié)省(shěng)了(le)时(shí)間(jiān)、人(rén)力,大(dà)大(dà)提(tí)高了(le)工作(zuò)效率。同(tóng)时(shí),三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)有(yǒu)很強(qiáng)的(de)适用(yòng)性,在(zài)很多(duō)複雜的(de)环(huán)境中(zhōng)都可(kě)以(yǐ)進(jìn)行測量(liàng)。此(cǐ)外(wài),三(sān)維激光(guāng)扫描設备通过(guò)發(fà)射激光(guāng)束(shù)来(lái)實(shí)現(xiàn)三(sān)維坐标(biāo)的(de)精确获取(qǔ),可(kě)不(bù)依賴辅助光(guāng)源,實(shí)現(xiàn)全(quán)天(tiān)候作(zuò)業。

　　一(yī)、三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)的(de)工作(zuò)原理(lǐ)

　　三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)，是(shì)通过(guò)內(nèi)部(bù)的(de)激光(guāng)脈沖發(fà)射器向(xiàng)目标(biāo)物(wù)發(fà)生(shēng)激光(guāng)脈沖，反(fǎn)光(guāng)鏡(jìng)旋轉(zhuǎn)，發(fà)射出(chū)的(de)激光(guāng)脈沖扫过(guò)被(bèi)測目标(biāo)，信(xìn)号(hào)接收器接收来(lái)自(zì)目标(biāo)體(tǐ)發(fà)射回(huí)来(lái)的(de)激光(guāng)脈沖，通过(guò)每个(gè)激光(guāng)脈沖从發(fà)出(chū)到(dào)被(bèi)測物(wù)表(biǎo)面(miàn)返回(huí)儀器所(suǒ)經(jīng)过(guò)的(de)时(shí)間(jiān)可(kě)以(yǐ)获得被(bèi)目标(biāo)體(tǐ)到(dào)扫描中(zhōng)心(xīn)的(de)距離，同(tóng)时(shí)扫描控制模块(kuài)和(hé)測量(liàng)每个(gè)激光(guāng)脈沖的(de)水(shuǐ)平扫描角(jiǎo)α和(hé)豎向(xiàng)扫描角(jiǎo)β，後(hòu)處(chù)理(lǐ)软(ruǎn)件(jiàn)自(zì)動(dòng)解(jiě)算得出(chū)被(bèi)測點(diǎn)的(de)相对(duì)三(sān)維坐标(biāo)，進(jìn)而(ér)轉(zhuǎn)換成(chéng)坐标(biāo)系(xì)中(zhōng)的(de)三(sān)維空(kōng)間(jiān)位(wèi)置坐标(biāo)或(huò)三(sān)維模型。

　　二(èr)、扫描數據(jù)處(chù)理(lǐ)

　　地(dì)面(miàn)三(sān)維激光(guāng)扫描系(xì)統扫描得到(dào)的(de)數據(jù)是(shì)點(diǎn)雲(yún)數據(jù)(Points Cloud) ，記(jì)录(lù)了(le)有(yǒu)限體(tǐ)表(biǎo)面(miàn)上(shàng)離散(sàn)點(diǎn)的(de)空(kōng)間(jiān)坐标(biāo)和(hé)某些物(wù)理(lǐ)参量(liàng)。點(diǎn)的(de)表(biǎo)示形式为(wèi)( x ,y ,z ,intensity ,R ,G ,B) ，不(bù)僅包(bāo)含了(le)點(diǎn)的(de)空(kōng)間(jiān)位(wèi)置關(guān)系(xì)，還(huán)包(bāo)括點(diǎn)的(de)強(qiáng)度(dù)信(xìn)息和(hé)顔色(sè)灰度(dù)信(xìn)息。離散(sàn)的(de)點(diǎn)雲(yún)數據(jù)並(bìng)不(bù)能(néng)夠真(zhēn)實(shí)準确地(dì)表(biǎo)达(dá)構築物(wù)的(de)整體(tǐ)模型，为(wèi)了(le)滿足三(sān)維建模的(de)需求，首先(xiān)要(yào)对(duì)所(suǒ)获得的(de)原始(shǐ)點(diǎn)雲(yún)數據(jù)進(jìn)行處(chù)理(lǐ)，包(bāo)括數據(jù)濾波(bō)、坐标(biāo)系(xì)轉(zhuǎn)換、數據(jù)配準。

　　三(sān)、三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)的(de)特(tè)點(diǎn)

　　三(sān)維激光(guāng)扫描系(xì)統是(shì)目前(qián)國(guó)際上(shàng)先(xiān)進(jìn)的(de)获取(qǔ)地(dì)面(miàn)空(kōng)間(jiān)多(duō)目标(biāo)三(sān)維數據(jù)的(de)长(cháng)距離影像的(de)測量(liàng)技術(shù)。它(tā)将传統測量(liàng)系(xì)統的(de)點(diǎn)測量(liàng)擴展(zhǎn)到(dào)面(miàn)測量(liàng)，它(tā)可(kě)以(yǐ)深入(rù)到(dào)複雜的(de)現(xiàn)场(chǎng)环(huán)境及(jí)空(kōng)間(jiān)中(zhōng)進(jìn)行扫描操作(zuò)，並(bìng)直(zhí)接将各(gè)種(zhǒng)大(dà)型，複雜實(shí)體(tǐ)的(de)三(sān)維數據(jù)完整的(de)采集到(dào)計(jì)算機(jī)中(zhōng)，進(jìn)而(ér)快(kuài)速重(zhòng)構出(chū)目标(biāo)的(de)三(sān)維模型及(jí)點(diǎn)、線(xiàn)、面(miàn)、、體(tǐ)等各(gè)種(zhǒng)幾(jǐ)何數據(jù)，而(ér)且(qiě)它(tā)所(suǒ)采集到(dào)的(de)三(sān)維激光(guāng)點(diǎn)雲(yún)數據(jù)還(huán)可(kě)以(yǐ)進(jìn)行多(duō)種(zhǒng)後(hòu)處(chù)理(lǐ)工作(zuò)。三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)利用(yòng)激光(guāng)特(tè)有(yǒu)的(de)扫描測量(liàng)，該技術(shù)具有(yǒu)非(fēi)接觸測量(liàng)、數據(jù)采樣(yàng)率高、主(zhǔ)動(dòng)發(fà)射扫描光(guāng)源、具有(yǒu)高分(fēn)辨率、高精度(dù)數字(zì)化(huà)采集結構緊湊等特(tè)點(diǎn)。

　　四(sì)、三(sān)維激光(guāng)技術(shù)應(yìng)用(yòng)于古建築保護實(shí)例

　　1、古建築特(tè)征

　　古建築是(shì)曆史政(zhèng)治經(jīng)濟文(wén)化(huà)的(de)凝聚物(wù)， 不(bù)同(tóng)时(shí)代(dài)的(de)建築见證了(le)不(bù)同(tóng)的(de)政(zhèng)治、 文(wén)化(huà)和(hé)審美(měi)，不(bù)同(tóng)的(de)民(mín)族其(qí)建築也有(yǒu)其(qí)特(tè)有(yǒu)的(de)風(fēng)格。中(zhōng)國(guó)古建築在(zài)外(wài)型上(shàng)主(zhǔ)要(yào)由(yóu)屋(wū)頂、屋(wū)身(shēn)和(hé)台(tái)基三(sān)部(bù)分(fēn)組成(chéng)；建築的(de)結構有(yǒu)石(dàn)块(kuài)和(hé)木(mù)質(zhì)，其(qí)中(zhōng) 80%以(yǐ)上(shàng)是(shì)木(mù)質(zhì)結構。细(xì)部(bù)台(tái)基、立柱、斗(dǒu)拱和(hé)屋(wū)頂結構繁雜；門(mén)窗(chuāng)天(tiān)花闆形式多(duō)種(zhǒng)多(duō)樣(yàng)，图(tú)案(àn)栩栩如(rú)生(shēng)。其(qí)建築物(wù)內(nèi)涵极(jí)为(wèi)豐富，因(yīn)而(ér)对(duì)保護建築物(wù)这(zhè)些特(tè)征所(suǒ)要(yào)求的(de)技術(shù)非(fēi)常高。

　　采用(yòng)三(sān)維激光(guāng)影像扫描技術(shù)，能(néng)在(zài)不(bù)損傷建築物(wù)的(de)条件(jiàn)下(xià)，快(kuài)速采集古建築物(wù)外(wài)部(bù)表(biǎo)面(miàn)的(de)精确數據(jù)。通过(guò)使用(yòng)软(ruǎn)件(jiàn)，可(kě)以(yǐ)快(kuài)速地(dì)为(wèi)扫描获得的(de)點(diǎn)雲(yún)賦予相應(yìng)的(de)彩色(sè)信(xìn)息，再經(jīng)过(guò)加工便制作(zuò)成(chéng)正(zhèng)射影像，向(xiàng)用(yòng)戶展(zhǎn)示一(yī)个(gè)完全(quán)的(de)實(shí)景彩色(sè)图(tú)像。相对(duì)于以(yǐ)往近(jìn)景攝影来(lái)说(shuō)，正(zhèng)射影像具有(yǒu)更(gèng)为(wèi)精确的(de)可(kě)量(liàng)測性，古建築設計(jì)和(hé)保護人(rén)員可(kě)以(yǐ)精确对(duì)門(mén)、窗(chuāng)、柱、梁(liáng)等構件(jiàn)進(jìn)行測量(liàng)，借(jiè)助CAD便可(kě)以(yǐ)制作(zuò)出(chū)用(yòng)于施工的(de)CAD數據(jù)图(tú)。

　　2、三(sān)維激光(guāng)扫描在(zài)古建築保護中(zhōng)應(yìng)用(yòng)

　　用(yòng)三(sān)維激光(guāng)測量(liàng)古建築，其(qí)步驟如(rú)下(xià)：

　　第(dì)一(yī)步：古建築表(biǎo)面(miàn)數據(jù)采集。主(zhǔ)要(yào)內(nèi)容有(yǒu)：确定(dìng)測繪方(fāng)案(àn)，三(sān)維激光(guāng)實(shí)地(dì)扫描。

　　本(běn)實(shí)验(yàn)以(yǐ)Trimble X130激光(guāng)扫描系(xì)統測量(liàng)中(zhōng)山(shān)紀念堂为(wèi)例，實(shí)验(yàn)設置了(le)三(sān)个(gè)标(biāo)靶點(diǎn)，測量(liàng)时(shí)儀器 Z軸垂直(zhí)。

　　第(dì)二(èr)步：內(nèi)業數據(jù)處(chù)理(lǐ)。主(zhǔ)要(yào)內(nèi)容包(bāo)括：數據(jù)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)雲(yún)數據(jù)配準、數據(jù)建模、實(shí)物(wù)量(liàng)測和(hé)數據(jù)存檔。

　　表(biǎo) 1   标(biāo)靶點(diǎn)坐标(biāo)值

　　第(dì)一(yī)測站/(mm)                   第(dì)二(èr)測站/(mm)

　　标(biāo)靶點(diǎn)   X          Y         Z           X         Y          Z

　　B1      3071.92    3341.95    1543.87      -21461.26   39844.93    1516.14

　　B2      2970.82   -12629.37   1523.50      -7676.83    31769.84    1533.19

　　B3      981.71    -16874.30   1485.69      -4998.82    27924.10    1504.60

　　根(gēn)據(jù)表(biǎo) 1 計(jì)算得其(qí)六(liù)参數數據(jù)轉(zhuǎn)換精度(dù)约为(wèi)±1.2mm。

　　內(nèi)業處(chù)理(lǐ)软(ruǎn)件(jiàn)为(wèi)：與(yǔ)扫描儀相配套(tào)的(de)數據(jù)處(chù)理(lǐ)软(ruǎn)件(jiàn)Trimble Realworks 。在(zài)配準模式下(xià)，不(bù)同(tóng)測站的(de)點(diǎn)雲(yún)數據(jù)融合在(zài)一(yī)个(gè)坐标(biāo)系(xì)統當中(zhōng)。在(zài)測量(liàng)模式下(xià)，在(zài)三(sān)維點(diǎn)雲(yún)图(tú)上(shàng)量(liàng)取(qǔ)實(shí)物(wù)尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)特(tè)征數據(jù)；也可(kě)以(yǐ)輸出(chū)到(dào)CAD中(zhōng)，制作(zuò)古建築的(de)平面(miàn)地(dì)图(tú)；還(huán)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接存檔點(diǎn)雲(yún)數據(jù)（如(rú)图(tú)）。在(zài)建模模式下(xià)，可(kě)以(yǐ)根(gēn)據(jù)已有(yǒu)幾(jǐ)何形體(tǐ)对(duì)點(diǎn)雲(yún)建立模型。

　　三(sān)維激光(guāng)測量(liàng)數據(jù)處(chù)理(lǐ)結果(guǒ)仍以(yǐ)點(diǎn)雲(yún)的(de)形式存檔于數據(jù)库或(huò)者(zhě)計(jì)算機(jī)中(zhōng)，結果(guǒ)數據(jù)存儲文(wén)件(jiàn)格式为(wèi)：*.asc，存儲的(de)內(nèi)容有(yǒu)坐标(biāo)值、RGB大(dà)小及(jí)坐标(biāo)标(biāo)準差。

　　存儲後(hòu)，數據(jù)可(kě)用(yòng)于檔案(àn)記(jì)录(lù)、三(sān)維可(kě)视化(huà)及(jí)逆向(xiàng)重(zhòng)建等方(fāng)面(miàn)，通过(guò)建模技術(shù)還(huán)原古建築物(wù)原貌，並(bìng)繪制精确的(de)修缮施工图(tú)紙(zhǐ)，做到(dào)客觀、準确地(dì)保護古建築物(wù)，充分(fēn)發(fà)揮三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)在(zài)古建築保護中(zhōng)的(de)應(yìng)用(yòng)價值。

　　因(yīn)受該建築物(wù)結構複雜、部(bù)分(fēn)觀測条件(jiàn)不(bù)佳等客觀条件(jiàn)影響以(yǐ)及(jí)时(shí)間(jiān)和(hé)經(jīng)費的(de)限制，此(cǐ)次(cì)中(zhōng)山(shān)紀念堂的(de)三(sān)維觀測數據(jù)有(yǒu)欠(qiàn)完整，但成(chéng)果(guǒ)資料完全(quán)能(néng)體(tǐ)現(xiàn)三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)的(de)先(xiān)進(jìn)性和(hé)优越性，我们期(qī)待通过(guò)後(hòu)期(qī)工作(zuò)的(de)跟進(jìn)，能(néng)進(jìn)一(yī)步完善本(běn)科研成(chéng)果(guǒ)，更(gèng)全(quán)面(miàn)地(dì)建立中(zhōng)山(shān)紀念堂的(de)建築設計(jì)图(tú)，並(bìng)建立完整的(de)三(sān)維模型，賦予建築色(sè)彩及(jí)強(qiáng)度(dù)等因(yīn)素，全(quán)方(fāng)位(wèi)地(dì)提(tí)供建築物(wù)的(de)各(gè)項數據(jù)。

　　總(zǒng)結：

　　三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù)運用(yòng)于古建測繪工作(zuò)中(zhōng),为(wèi)古建築研究與(yǔ)保護提(tí)供了(le)新(xīn)的(de)手(shǒu)段(duàn)。它(tā)在(zài)获取(qǔ)信(xìn)息的(de)全(quán)面(miàn)性、以(yǐ)及(jí)測繪工作(zuò)的(de)高效性等方(fāng)面(miàn)具有(yǒu)传統測量(liàng)技術(shù)無法(fǎ)比拟的(de)优勢。尤其(qí)是(shì)它(tā)“非(fēi)接觸式”的(de)測量(liàng)的(de)手(shǒu)段(duàn),不(bù)会(huì)对(duì)传統古建築造成(chéng)損傷,正(zhèng)體(tǐ)現(xiàn)了(le)古建築保護的(de)核心(xīn)思(sī)想(xiǎng),即让建築物(wù)在(zài)“不(bù)改變(biàn)原狀”的(de)条件(jiàn)下(xià)长(cháng)期(qī)健康存在(zài)。但要(yào)運用(yòng)三(sān)維激光(guāng)扫描技術(shù),建立一(yī)套(tào)科學(xué)合理(lǐ)的(de)、實(shí)踐性強(qiáng)的(de)古建測繪方(fāng)法(fǎ),還(huán)需要(yào)在(zài)今後(hòu)大(dà)量(liàng)的(de)古建測繪實(shí)踐中(zhōng)不(bù)斷探索。