基于三维激光扫描的历史建筑测绘应用研究

基于三维激光扫描的历史建筑测绘应用研究

叶四妹

身份证号码：120104197906135826

摘要：历史建筑测绘需要绘制建筑物的总平面图、平面图、立面图、剖面图和详图五种成果，通过实际案例，介绍FARO350PLUS地面三维激光扫描仪及SCECE软件在历史建筑测绘中的应用，系统总结成果技术指标、数据采集、数据处理和成果图件绘制过程的技术要点。

关键词：三维激光扫描;历史建筑;测绘

引言

Cyclone软件是处理点云数据的较为常用的软件之一，该软件可对扫描效果好的点云数据进行拼接、去噪、滤波、分割和分类、统一化、特征线提取等一系列处理，为后期建筑物二维图绘制提供点云数据处理技术基础。本研究以某历史建筑为研究对象，采用徕卡P40三维激光扫描仪，对其进行全面扫描，获取历史建筑表面的点云数据。在此基础上，将点云数据在Cyclone软件中通过拼接、去噪、统一化等处理，得到该历史建筑的高精度完整点云数据。通过cloudworx软件，在CAD中加载处理好的点云数据，绘制历史建筑二维图，为历史建筑归档提供建筑物精细CAD图纸，促进历史建筑归档的完备性。此外，为更好地展示历史建筑的整体性，将处理后的点云数据在Smart3D软件中建模，获得该历史建筑实体三维模型。最后对二维图纸及三维建模进行精度评价，结果表明其具有较高精度。

1三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描技术又称为三维激光扫描系统，包括激光测距和激光扫描两个系统，在主机内通过内置反射镜有序快速地旋转，将激光发射器发出的激光点有序地扫过扫描区域，激光点发出后利用经扫描物体的表面返回至仪器之间的空间相位差计算距离，同时控制扫描模块并测量每个激光点的角度，从而计算出激光点在被测物体上的三维坐标，获取被测物体表面的所有三维信息，最终输出完整的三维数据。

2三维激光扫描的历史建筑测绘应用

2.1点云数据采集

对历史建筑进行数据采集之前，需要对建筑物所在现场进行踏勘，通过踏勘了解整个宗祠的结构，分析空间布局及外部特征，确定控制网及扫描站的布设方式，制定外业数据采集方案。本项目采用徕卡P40三维激光扫描仪，总共布设22个测站，对该历史建筑进行从内到外，从下到上的全面扫描，获取建筑物整体点云数据。布设站点时需要注意以下三点：①尽量避免扫描盲区，根据测区的地形及建筑物的结构，设定扫描间距在10m左右，点云分辨率为3.1mm@10m。对建筑物的点云数据需要完全采集，避免出现漏采现象，通视困难或在拐角时应适当增加测站，保持能够全面获取建筑物点云数据。②根据建筑物的特点，尽量在满足应用的需求上，合理安排扫描仪测站位置，保证在获得建筑物点云数据的基础上，尽量减少测站数，以减少噪声点及无效数据。③布设站点时需考虑当地交通及人文情况，尽量减少游人及居民带来的干扰。在扫描过程中需要进行标靶布设，为后续点云配准做准备。标靶按类型可分为磁质标靶、球形标靶和纸质标靶。本项目点云数据采集中使用磁质标靶和纸质标靶。标靶的布设应在扫描范围内均匀布置且高低错落。每一扫描站的标靶个数应不少于4个，相邻两扫描站的公共标靶个数应不少于3个，且避免标靶布设在一条直线上。同时采用全站仪和RTK对建筑物进行控制网布设，以将点云数据从相对坐标转换到绝对坐标上。数据采集与处理流程图如图1所示。

图1数据采集与处理流程图

2.2内业点云数据的配准

点云配准分为两种方法:基于测站的拼接和基于目标或点云的拼接.第一种方法要建立测站点，进行控制测量，相当于传统测绘的碎部测量，而点云的数据质量与该测站的站点位置和扫描质量有关，但需要三维激光扫描仪具有整平、定向和对中的功能。第二种方法至少需要3个同名特征点，将相邻测站的点云进行配准，同名特征点可以是标靶或典型角点。特征点的提取方法:①可以通过选取规则的几何模型求交点自动提取特征点；②如果选取的特征点所在位置比较明显，也可采用鼠标直接点击的方式选取。第一种方法获得特征点的精度较高。

2.3扫描站与点云精度等级

在综合分析建筑特色和成果技术指标的基础上，按照“内外一致、精度区别、三架联测”的原则确定点云精度等级，布设扫描站57站，遵循如下要点。①确保相邻扫描站之间通视，扫描站之间不大于20m。②建筑内外均采用二等点云精度等级，使用简易标靶连接。③绘制详图的隔扇门窗采用一等点云精度等级，扫描时固定三个球形标靶位置采用类似导线测量中的“三架联测法”进行一次内外侧传递，减少标靶设置的对中误差，从正面和侧面进行扫描，为高精度匹配提供保障。

2.4点云数据处理

项目将点云数据导入Cyclone软件中，对其进行拼接、去噪、统一化等处理。下面着重介绍点云拼接及点云去噪2个步骤。1）点云数据拼接。采用三维激光扫描仪进行数据采集时，每一测站获得的点云数据是独立坐标系，需要将每一测站点云数据配准到统一坐标系下，形成一个整体的点云数据，此过程为点云配准。点云配准是后续处理步骤能否完整完成的前提。本项目采用最邻近迭代配准（ICP）算法进行配准工作，最终点云配准的平均误差为1.01mm。2）点云去噪。点云数据采集的过程中会不可避免地扫描到建筑物以外的非目标点，这些存在的差点和错误点就是噪声点。产生噪声点的主要原因有三点：第一，扫描时仪器的震动及扫描仪的精度等引起的扫描仪本身的系统噪声；第二，扫描物体表面的光滑程度、材质、颜色的反射特性引起的噪声；第三，扫描过程中游人、居民、车辆等遮挡引起的偶然噪声。这些噪声点占用计算机存储空间，影响点云数据质量。为确保数据的有效性，需要对这些噪声数据进行剔除，通常采用人机交互方式进行降噪处理。

结语

传统的立面测量方式通常采用手工皮尺测量、手持测距仪测量、全站仪单点定位测量3种方式，实际应用中效率低、成本高。采用激光扫描仪进行外业扫描数据的采集，内业点云数据采用软件自动处理进行预处理，体现了高效率和精准化，大大节约了时间，但在由点云到线划的阶段，仍然需要连点绘线的绘图操作，没有实现全过程的现代化，这是未来提高效率的关键因素。通过三维扫描获取的原始资料，与传统停留在二维信息、单点采集相比，三维激光扫描技术不仅提高了立面测量的工作效率和数据精度，还带动了历史建筑存档与原始数据留存的革命更新，真正意义上实现了由二维到三维空间信息的升级与突破。

参考文献

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