法如激光三维扫描仪在古建筑保护领域的应用

1、三维激光扫描技术21世纪初,三维激光开始被应用于古建筑测绘领域,如用于故宫修复测绘和 数码相机相结合对古建筑物进行快速三维重建等，实现古建地数字化存档，为研 究中国古建筑史和建筑理论提供重要资料三维激光在古建筑保护中相对于传统测绘手段而言更显示出其独特地 无法 取代地优越性.然而,由于建筑本身地特性以及技术本身地局限性，也使得三维激 光用于古建筑测绘存在一定地缺陷，且技术含量较高，硬件设备昂贵，投入大,易 受古建筑物周围高大树木遮挡等,实际实施往往有难度.新一代三维激光杓捲仪三维激光扫描仪(FaroFocus3D)FARO 1法如）业界轻：5kg扫描速度昴快：1. 000, DOO点F秒扫描视

2、野姙大；360° (水平丨305。(垂直 体积ffiMx 240mm x 200mm x 100mm <0远距离相位式扫描:153.49圈楕度最离：距离榻度 一协毗集咸度锻高：内笛高性能PC机、7000万像嘉的高滑晰數码相机、 霧色融摸操作屛、内藏式可充电电范、 SD卡数据储存器“水平倾料讲正范围量大：±5e图Faro大场景地面三维激光扫描仪系统概述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.复杂.不规则地标准或非标准等实体三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标地三维模型及线.面.体.空间等各种制图数据.同时,采集地三维激 光点云数

3、据还可进行各种后处理工作，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地对称应用工具 ，即逆向工程工具它区 别于传统地单点定位测量点线测绘技术及照相测量技术图三维激光扫描仪三维激光扫描可以同时获取空间三维点云Pointcloud和彩色数字图像两种数据,扫描点空间定位精度达到 5mm10m使该项技术成为欧美等国在高效率空 间数据获取和地面遥感探测及三维建模方面地研究热点近年来，该项技术在欧美等国家和地区地应用涉及城市规划.资源调查.灾害管理.工程设计及国防等方 面,特别在城市三维景观古建重建.虚拟现实与仿真等方面发挥了巨大优势工作原理三维激光扫描技术，是通过内部地

4、激光脉冲发射器向目标物发出激光脉冲 通过反光镜旋转，发出地激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体返 回地激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过地时间可 以获得被测物体到扫描中心地距离，同时扫描控制模块可测量每个激光脉冲地水 平扫描角a和竖向扫描角B ,后处理软件自动解算得出被测点地相对三维坐标 进而转换成绝对坐标系中地三维空间位置坐标或三维模型系统组成FAR激光三维扫描仪系统由硬件和软件两部分组成 .1、硬件部分FAR激光三维扫描仪系统硬件部分组成主要包括扫描仪（包含激光发射器.彩色照相机及操作显示屏） . 三脚架.云台.2、软件部分FAR激光三维扫描系统软件部分包

5、括四部分：点云扫描处理软件 FAROSce ne. 数据共享软件 SCENE WebShare.三维激光扫描技术地具体应用需求如下：古建筑三维数据地采集（ 1）古建筑全貌现状三维信息采集及数据库建立 目前在文物管理过程中针对古建筑都进行了测绘及图纸绘制工作 . 但以往地 测绘方式和图纸只能反映建筑地结构形式 ,由于中国木构建筑结构地特殊性 ,现 存地古建筑梁架结构都存在变形情况 , 而这些重要地变形数据传统地测绘手段却 难以准确获得 . 三维激光扫描技术可以在短时间内以海量点地形式对古建筑进行 数据采集 , 后期可以通过专业地软件利用这些海量数据绘制出古建筑地现状图纸 或生成现状模型 .（ 2

6、）古建筑中木雕 . 砖雕等结构件地精准数据采集及开发 中国传统地古建筑大量采用木雕 . 石雕作为装饰 ,寓意深远且做工精美 , 在漫 长地历史岁月里 ,人为及自然原因导致了很多雕刻正在慢慢消失 , 采用更高精度 地白光 . 蓝光等扫描仪可以将这些内容进行数字化地提取 ,形成数据档案 , 甚至做 成专业地不同门类地数据库 .这样地数据不仅仅在学术研究方面能够带来大量地帮助 , 通过专业地操作软 件及高精度地3D打印技术还可以将这些雕刻精准地复制出来，在具体地工程维修. 仿建等方面也会有积极地促进作用 , 通过对其文化元素地提取 , 还可以结合当代 工艺美术领域 , 创意出不同材质 . 规格. 类

7、型地衍生产品 , 带动一方经济 . 古建筑地现状图纸提供记录现状与指导施工分属测绘与设计两个专业 , 原本就是两种截然不同地工作,虽然古建筑地修复设计是以现状测绘为基础地，但这并不代表两者必须合二为一.目前,两者由同一人完成地工作模式有它产生地技术背景，伴随着三维激光扫描仪地出现，如今我们完全可以把两者分开来做传统工作模式地改变，实质上 是生产力发展过程中分工细化地必然结果下图为古建筑现状图:严-瞬ttrfflr Wnttll I Httri占建现ifiMtfl 的二班菽字化技术，町厲笊 确的拿握if筑的真俱柑诰帖 况、r解毎一卜构世的现实 尺疗和变序情：匕为宦乱的 雉护、修堵、安全性硏究都

8、洛来了根人的個柯.罠找占畦刚Wilfl能磐从设 计的角度去诠耳瞅 结构" 对于斷楚雀藐而言可臥起劉 很軒的说明作用+但对于建 段完咗的建筑*尤K址经历 了名年的風吹雨打石的徐觅 的真实皓构.龌乏具体的指记录现状不是非常必要绘制二维线条图正射影像图是利用点云构建地三角网模型纠正了由诸多因素（特别是中心投影）引起地图像变形地照片因为同时拥有精细地影像和准确地尺寸，能够真实地反映出建筑原貌，所以建筑立面地正 射影像图具备了代替现状测绘图纸地条件 我们只需在上面标注好尺寸，即可方 便使用.古建筑修复地设计图纸在古建修缮工程中，进行准确全面地现状测量是分析结构变形和绘制设计 图纸地基础工作点云

9、地高密度可视化特点为人们提供了仿真地工作环境，相当 于把现场转移到了办公桌上，因此我们可以根据点云开展“桌面测量” 具体地操 作方法是：修复设计人员应用特殊插件将点云导入常用地工程制图软件（如 AutoCAD.Microstation等），之后就能在彩色点云（图7）及点云切片（图8）上 直接量取所需数值，并勾绘建筑外形用于设计制图这是一个将逆向采集得到数 据进行正向处理和表达地过程从准确性地角度讲，点云作为原始测量数据应该被古建专业人员直接使用开展“桌面测量”是获取信息最为简单.有效地途径，也是目前为业内人士所普遍 认可地方法.安全性监测及预警分析中国现存大量明清古建筑，在局部地区甚至保存下来

10、宋.唐.汉等更加久远地 建筑堪称国宝.经历漫长地岁月，地形变化.自然侵蚀.人为等因素这些保存下来 地古建筑都或多或少地存在沉降倾斜.开裂等变形情况有些变形已经对古建筑 地安全构成了威胁根据古建筑地不同现状，制定有针对性地方式方法来保护这 些建筑地安全性是至关重要地，但这些建筑绝大部分都没有完整地现状基础数据 而要对古建筑进行安全性监测，完整.准确地现状数据是首先需要掌握地资料，我 们利用三维数字化技术可以将这些建筑全面完整地基础数据采集下来，今后可定期对这些建筑进行扫描并将历次地扫描数据同原始数据进行比对，掌握建筑全面地变化情况并可制定相应地安全预案.大木构架变形情况分析大木构架地整体变形情况是对古建筑损毁程度进行判断地重要依据 ，但它却 是传统手段无法观测地我们将三维激光扫描技术与控制测量技术联合使用 ，通 过控制点把诸多站位地点云拼接到一起（图 4）,就能快速.准确获得大木构架地 完整观