三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用

84 三维激光扫描技术在古建筑 修缮测绘中的应用 周 立(洛阳市文物工作队 副研究员) 李 明(洛 阳 市 文 物 工 作 队) 毛晨佳(上海测源数码科技有限公司) 吕晓洁(上海测源数码科技有限公司) 85 � 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用 86 2 0 11年�第 8期 屋顶吻兽全部丢失 ,套兽仅余一个。七架梁断 裂,中金檩劈裂,攀间铺作 50%损坏。整栋建筑 摇摇欲坠 ,已成危房, 急需进行修缮工作。而要 修缮 ,首先就要对安国寺大雄殿进行测绘。我 们利用三维激光扫描仪,对安国寺大雄殿进行 扫描和现状图纸绘制 ,从而为维修设计图纸提 供了可靠的数据资料 ,使得后期的修缮工作更 加科学、可行。 二 三维激光扫描技术 1� 三维激光扫描仪的工作原理 三维激光扫描仪的工作原理是通过发射 红外线光束到旋转式镜头的中心 , 旋转检测 环境周围的激光。一旦接触到物体, 光束立 刻被反射回扫描仪 , 红外线的位移数据被测 量, 从而反映出激光与物体之间的距离。最后 图四 安国寺大雄殿耍头和瓦当滴水大样图 图三 安国寺大雄殿横剖面图 87 图五 安国寺大雄殿转角铺作 三维模型 用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描仪 的水平旋转角度,以获得每一个点的 X、Y、Z的 坐标值。 利用三维激光扫描系统,能够在几分钟内 对特定区域( 如古建筑、古遗址等 ) 获取详尽 的、高精度的三维立体影像数据。它广泛应用 于考古、古建、城市规划、隧道、铁路、体育场馆 以及异形空间结构、民宅等(图一)。 用三维激光扫描仪扫描目标体,可获得大 量的点数据, 称之为� 点云�。扫描所得到的点 云是由带有三维坐标的点所组成的,把不同的 点云资料拼接成为立体的点云图形。点云是一 种类影像的向量数据, 再经模型化处理 ,可以 获得很高的点位精度。可以直接在点云中进行 空间测量 , 也可以运用点云数据建立三维模 型,并对其进行深入的计算或分析。 三维激光扫描系统获得的原始三维点云 数据为单色,每一个点均包含有空间坐标信息 X、Y、Z。通过使用高清数码相机 ,每个点就可以 包含 X、Y、Z、R、G、B等六位信息 ,这进一步完 善了被测物体数字化信息存档的数据结构。 2� 三维激光扫描仪的应用 三维激光扫描技术又称�实景复制技术�。 通过现场扫描操作 ,直接将各种大型的、复杂 的、不规则、标准或非标准的实体三维数据采 集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型 以及线、面、体、空间等各种制图数据。同时,它 所采集的三维激光点云数据还可进行各种后 图六 安国寺大雄殿西侧立面 博风板点云图 � 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用 88 2 0 11年�第 8期 图七 安国寺大雄殿西侧立面博风板大样图 期处理工作, 例如测绘、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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 工具。 3� 三维激光扫描技术在古建研究中的优 势 传统的古建筑测绘 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是用直尺、角尺、 垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸, 获取的最终资料是图样(即图纸 )和文字 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。 测量通面阔、梁架高度等较大尺寸时采用卷 尺,小尺寸使用小钢尺 ,较为灵活自由。而建筑 屋面上的重要控制性尺寸,使用手工方法常常 力不从心 ,尤其遇到庑殿、歇山顶及重檐建筑 时更是如此。 近景摄影测量用于古建筑测绘已有较长 的历史。其优点在于能精密测量不规则表面的 实体 ,并能立体再现建筑物。例如测绘建筑物 平面图、立面图、剖面图、等值线图等。但此方 法工序较繁杂 ,精度较低, 所获得的数据也不 能直接满足古建筑三维重构的要求。 激光遥感技术获取数据快速、精确、详细, 适用于古建筑、历史街区的保护 ,但目前尚处 于探索阶段,没有形成完整的应用体系。 三维激光扫描技术在解决一些疑难问题 时存在巨大优势。比如古建筑中的碑刻、雕刻 (石雕、砖雕、木雕、竹雕)、文字、彩画等已经剥 落、风化、毁损、残缺。中国古建筑 往往包含很多曲线形式,如屋面曲 线、屋脊曲线、山花轮廓以及券门 券洞等。这些尺度较大的曲线形 式,在扫描回来的点云中可以方便 地勾画出来。迅速给出所有需要的 尺寸。 三维激光扫描采用非接触式 的测量方式,具有快速、精确、多方 位、�所见即所得�的特点 ,为古建 筑测绘提供了革命性的新途径。三 维激光影像扫描能够快速获取点 密度和精度都非常高的建筑物点 云数据,将所测量的对象进行 1� 1 的实景复制三维成型 ,由传统的实地野外手工 测量转变为室内计算机对点云数据的高精度 测量,通过建筑设计行业所使用的 AutoCAD软 件进行测绘, 并绘制所测建筑物或建筑物单 个构件的平、立、剖建筑设计三视图。三维 激光非接触式的测量方式, 避免了人工接触 对象所造成的文物损坏、测量精度不高、测 绘人员自身安全等问题。 三 使用三维激光扫描仪对安国寺 大雄殿进行扫描和数据测量 1� 现场工作情况 对安国寺大雄殿进行精密测绘工作耗时 3 天,室内、外共设扫描站点 28处。使用的主要测 量设备是法如 ( 美国 )公司生产的 FARO Pho� ton- 120大空间高精度三维激光扫描仪, 使用 的摄影工具为专业级单反数码相机。 2� 点云数据处理 点云数据采集完成后,将扫描仪中的数据 导入到电脑,然后运用 FARO Scene软件对各个 站点进行点云拼接。通过 FARO Scene软件完成 点云数据拼接后,还能获取精准的数据拼接报 告。拼接的平均误差值为 1�5 毫米 ,偏差仅为 0�9毫米。由此可以确定, 本次数据采集位置设 立精准、数据分辨率高、数据库完整,是后期点 89 图八 安国寺大雄殿三维实体图 云数据处理的依据及可靠保障。 3�用点云做成的莲花柱础曲面三维模型 为了复原大雄殿内唯一一个具有唐代建 筑特征的柱础, 我们采用细部精细扫描的方式 和专业逆向工程处理软件,从而建立了高精度 的、现状的、可编辑的三维数字化模型。如图二 所示, 柱础模型上的雕花尺寸可以任意测量。 根据该数字模型 ,还可利用现有加工设备制作 出复制品,大大方便了后期修缮工作的进行。 4�绘制安国寺大雄殿现状图 本次绘图使用法如公司提供的点云插件, 在 AutoCAD平台上绘制整个建筑物的二维现 状图。绘图 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 是先将点云导入 ,根据专业软 件的应用,逐步绘制各个平面 ,包括总平面图、 大殿平面图、横剖图、纵剖图、梁架仰视图等。 并绘制了细部的大样图,如瓦当、耍头等。 ( 1)安国寺大雄殿横剖面图 图三是按照点云绘制好的第三缝梁架横 剖面图。从点云现状图中可以看到, 左侧出檐 处檐椽、飞椽都已严重变形 ,后乳袱与六椽袱 连接错位,正脊变形。 ( 2)安国寺大雄殿铺作的测绘 大殿南侧正立面铺作共有 12朵、柱头铺作 4朵、补间铺作 6朵、转角铺作两朵。所有铺作 的耍头都是木刻龙头,铺作耍头以中轴线为对 称轴左右对称排列。 图四是绘制好的安国寺大雄殿耍头和瓦 当滴水大样图, 所有龙头都是按照实际尺寸绘 制。尤其是转角铺作耍头, 利用软件, 在难以人 工测量的条件下依然成功地绘制出来。图五是 通过使用 AutoCAD软件、按照真实尺寸做出的 安国寺大雄殿转角铺作三维模型。 ( 3)安国寺西立面博风板大样图 图六为西立面博风板的一部分, 点云清晰 地反应了博风板砖雕的现状。通过与现场拍的 照片做比对 ,可以在计算机上快速、准确地画 出该博风板的大样图。图七便是画好后的博风 板大样图。所有博风砖的雕花尺寸都可以任意 测量 , 为以后的修缮提供了真实的现状资料 (图八)。 四 结 论 三维激光扫描技术在古建筑测绘中,具有 高精度、高效率、多方位、多元化等优点。在古 建筑修缮中 ,运用三维激光扫描仪绘图, 能大 大减少人力和物力的损耗, 避免因现场勘测条 件限制造成的疏忽,减少修缮 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 重复设计的 次数。此外,该项技术的成功应用,还为后期建 立古建筑管理及查询系统奠定基础。 (责任编辑:郑 彤) � 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用