三维激光扫描技术在古建筑保护中运用分析

三维激光扫描技术在古建筑保护中运用分析

郑建洋

曲阜市三孔古建筑工程管理处   山东 济宁  273100

摘要：古建筑是传承和研究历史文化变迁发展的主要依据之一，具有较高的历史研究价值。现代科学技术的发展，为提升古建筑的保护效果提供了技术方面的有效支持。为提升古建筑的保护效果，本文主要从现代科学技术发展的角度，以三维激光扫描技术为切入点，对在古建筑保护中应用三维激光扫描技术的实际情况进行了研究和分析，希望能够为当前的古建筑保护和维护管理提供一定的优化思路。

关键词：三维激光扫描技术；古建筑；建筑保护

前言：古建筑是当前进行社会历史发展过程研究的重要依据，受到时间变化以及环境因素等方面的影响，现有的古建筑普遍遭受了不同程度的破坏。将三维激光扫描技术应用到古建筑的保护当中，以现代化的技术检测和数据收集来减轻对古建筑的伤害，能够有效提升古建筑保护的成果。对三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用进行分析，对于提升古建筑保护工作的效果具有重要的作用。

一、三维激光扫描技术

（一）三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术于上世纪90年代产生，伴随着现代技术的发展而逐渐完善。现阶段，三维激光扫描技术已经得到了更广泛的应用。从本质上来说，三维激光扫描是一种空间信息技术，该技术在实际应用中，能够基于三维激光扫描测量仪、后处理软件以及相应附属设备来构成地面三维激光扫描测量系统。在启动系统后，能够依据激光脉冲测得的空间距离和水平垂直两个方向的步进角距值来对目标点的三维坐标进行计算[1]。然后利用传动装置来实现对于被测物体的全方位扫描，在对获得的数据进行整理后，就可以得到基于被测目标的点云数据。而在这个系统运行的过程中，彩色相机也能够拍摄被测目标彩色照片。在此基础上，将获得的点云数据与彩色照片结合起来，就可以得到更完整的彩色三维信息。

（二）三维激光扫描技术的应用优势

基于三维激光扫描技术的应用原理，将其应用到古建筑保护当中，能够体现出以下几个方面的应用优势：首先，三维激光扫描技术所依赖的激光可以在不接触被测物体的前提下来进行相应参数的检测，不会对古建筑本身造成伤害；其次，直接应用扫描仪和计算机，就可以完成对古建筑的检测，避免了一些需要对古建筑加以保护所采取的措施，能够有效降低对古建筑进行检测的成本，获得的检测结果误差也比较小；第三，应用三维激光扫描技术对数据进行处理，可以直接将外业测量和内业绘图的工作结合起来，既能够保证检测结果的准确性，也能够提升检测工作的效率。

二、在古建筑保护中运用三维激光扫描技术的情况分析

古建筑保护是当前文化传承和发展中强调的一项重要内容，将三维激光扫描技术这一具有代表性的新兴技术应用到古建筑保护当中，验证了现代先进技术对于提升建筑保护效果的作用，对推动建筑行业以及历史文化领域的发展都具有重要的作用。在对古建筑保护中运用三维激光扫描技术的情况进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手：

（一）三维激光扫描技术的应用形式

在古建筑保护中应用三维激光扫描技术，最主要的目的就是作为古建筑手工测绘的主要辅助工具，满足对古建筑屋顶等关键部位的数据采集要求。在应用三维激光扫描技术的情况下，也可以有效避免人工对古建筑的直接接触，降低对古建筑造成的破坏[2]。

例如，在彩画和壁画类的古建筑中应用三维激光扫描技术，可以将其与传统的测绘技术结合起来，在测绘古建筑内部结构和各处细节的同时，也能够呈现出更清晰的壁画材质以及纹理分布情况。在扫描到相应的信息之后，能够以数字化的形式将这些信息统计并记录下来，用于填充古建筑信息资料库。对于建筑表面彩绘图案脱落的情况，也可以在扫描后通过生成古建筑三维模型的方式，为修复彩绘图案以及内部结构提供更为可靠的参考依据。

（二）技术应用过程

在实际应用三维激光扫描技术时，对被测目标进行扫描之后，考虑到目标扫描过程中可能存在的不需要的噪声点以及背景部分，需要通过点云数据滤波的方式，将扫描画面中的冗余数据和噪声点及时去除。点云数据滤波的方法主要是指，在对原始观测值采取粗差剔除的方式之后，基于不同的噪声点应用不同的抗差估计方法，以此来达到去除离群数据的目的，然后再应用传统的去噪方法来达到降低偶然误差的目的。

在坐标系转换过程中，需要将由点云数据组成的坐标系转化为地方独立或国家统一规定标准的坐标系，并在此基础上完成对于点云数据的内定向。

在点云数据的配准环节，考虑到周围环境可能对扫描效果产生的影响，在实际扫描中需要多次更换视点和测站，确保能够将超出扫描范围以及被遮挡的部分也扫描到位。然后就可以将扫描到的数值融入统一的坐标系当中进行配准。配准过程主要应用三点到三点的配准方法，在扫描区域设施三个同名控制点，并保证相邻数据点的云数据能够在同一坐标系中体现。

最后需要基于采集到的数据来进行三维建模，基于点云获得的信息，可以构建出具有更高精度的DEM，然后利用立体模型的方式，将点、多边形以及曲线等形式在模型中呈现出来，从而便于后续为古建筑制定相应的保护措施。

（三）技术应用中存在的问题

在实际应用三维激光扫描技术的过程中，也发现存在一定的问题。古建筑大多具有结构复杂，内层多样的特点，受到这一情况的影响，在实际应用三维激光扫描技术的过程中，很难一次就获得完整的图像和数据信息。而在多次反复的扫描和数据采集中，发现现有的三维激光扫描设备的扫描范围存在较为明显的局限性。当前应用的仪器扫描范围在1-500m之内，而在实际应用中，通常需要以250m为半径的圆形区域当中进行扫描和数据采集，对于一些涉及范围较广、内部结构复杂的古建筑而言具有一定的局限性。

同时，基于激光发射的原理，应用三维激光扫描技术所发射的可见光难以穿透实际物体进行扫描，这就限制了对于古建筑内部交错部分的扫描效果。而基于古建筑所具有的历史研究和艺术价值，在进行数据采集的过程中，现有的三维激光难以满足对古建筑中历史人文以及环境风貌的完整呈现，因而也会在一定程度上限制古建筑保护工作的开展。

（四）提升技术应用效果的措施

基于当前三维激光扫描技术应用中存在的问题，在扫描过程中可以通过增设测站以及调整扫描角度的方式来保证扫描范围，也可以借助数学模型进行插值运算的方式来降低扫描数据配准过程中的误差，确保数据采集的完整性。

在未来的技术研发和优化中，需要综合考虑包括古建筑在内的相关被测对象对于文化、艺术等人文色彩与科学技术的有效融合。当前三维激光扫描技术中应用的三维模型主要基于检测的数据来呈现实际的扫描和数据采集效果，也需要在模型构建的软件中增加有关建筑文化、风格以及应用特点等方面的功能，以此来提升技术应用的有效性和可靠性。而在考虑古建筑本身类型和风格多样的情况下，对于三维激光扫描技术的优化也需要以提升技术在多种建筑类型中的适用性为主要目标，以便能够更好地发挥该技术在古建筑保护中的作用。

结论：综上所述，应用三维激光扫描技术能够有效提升对于古建筑相关参数检测采集的准确性，从而为古建筑的保护工作提供更为可靠的依据。基于当前我国古建筑保护工作的开展现状，在应用三维激光扫描技术的过程中，需要综合考虑古建筑所在区域的实际情况，对当前三维激光扫描技术应用中存在的缺陷和不足进行改进，进一步降低技术应用中可能对古建筑本身造成的影响，从而更好地提升对古建筑进行保护的效果。

参考文献：

[1]于姗姗,刘冉. 三维激光扫描技术在古建筑保护与修复中的特殊应用[J]. 江西测绘,2022,(02):13-15.

[2]乔娇娇. 三维激光扫描技术在古建筑保护复原中的应用及空洞修补研究[D].成都理工大学,2021.