三维激光扫描技术在历史建筑测绘中的应用

2021-09-01合肥市测绘设计研究院安徽合肥230061

安徽建筑 2021年8期

王林（合肥市测绘设计研究院，安徽合肥 230061）

1 引言

三维激光扫描技术利用激光测距的原理，通过高速测量记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速恢复被测目标的三维模型。

根据住房和城乡建设部《关于请报送历史建筑测绘建档三年行动计划和规范历史建筑测绘建档成果要求的函》和《关于印发安徽省历史建筑测绘建档三年行动计划的函》的要求，历史建筑测绘应完整绘制总平面图、平面图、立面图、平面图和详图，一般通过全站仪结合测距仪等手段实现，本文通过实际案例介绍使用FARO350 PLUS地面三维激光扫描仪、SCENCE配套软件和AUTOCAD等应用完成测绘全过程。

2 测区概况

皖北黄麓师范烔炀农民实验文化馆（如图1）建于1950年春，是全国第一个农民文化馆，位于巢湖市烔炀镇烔炀老街的东街入口处，砖木结构，面积八百多平方米，保留了众多江淮地区建筑风格。建筑特色如下。

图1 测区范围示意图

①布局：东西向沿街布置，三进两天井无厢房，出入口均朝街，周边与民居毗连，总计4幢建筑。

②结构：穿斗式木结构与抬梁式木结构相结合。

③屋顶：屋面为小青瓦，第一进屋顶为硬山双坡顶，其他为单坡屋顶。

④门窗：第一进建筑出入口大门为普通板式隔扇门、沿街窗户为板式镶嵌窗（兼有商业功能）、背街面门窗已拆除仅保留门洞和窗洞。第二进建筑门窗已拆除仅保留门洞和窗洞。第三进建筑门窗完整，门为雕花隔扇门、窗户为雕花隔扇窗。

⑤地面：院落和室外均为青砖地面，室内均为平整水泥地面。

⑥墙体墙面：第一进沿街面二层墙体为木质结构，其余墙体为240mm砖墙。第一进沿街外表面为白色粉刷，其余为青砖墙面。

3 成果技术指标

在实地踏勘的基础上，确定测绘类型为全面测绘，图件成果的技术指标如表1。

成果技术指标表1

4 数据采集

4.1 扫描仪参数

FARO350 PLUS是一款高速三维激光扫描仪，能够在几分钟内为复杂的环境和几何图形制作出细节丰富的三维图像，其主要指标如表2所示。

扫描仪参数表2

4.2 控制测量

控制测量一方面实现站心坐标系向成果坐标系的坐标转换，也是控制点云数据之间连续匹配误差累计的关键因素，在实地踏勘的基础上布设六个控制点，按一级导线精度施测并联测四等水准，其中第一进二层阁楼布置控制点一个与第一进室内控制点通视（图2）。

图2 控制点与扫描站布置图

4.3 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（表3），布设扫描站57站（图2），遵循如下要点。

扫描站与点云精度等级表3

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。

5 数据处理

SCENE是面向FARO Focus X系列高分辨率三维激光扫描仪的专业软件，提供了多种功能和工具，能够高效方便地对扫描数据进行处理和管理。SCENE点云数据处理一般包括新建项目、扫描导入、扫描处理、扫描注册、扫描导出五个过程。

新建项目和扫描导入较为简单，建立处理文件夹和文件名，导入外业的扫描站文件（*.fls或*.E57）数据。

扫描处理是对导入的扫描文件通过应用过滤器、彩色设置和创建扫描点云，这个过程应全部通过，否则就存在未处理的扫描站数据。

扫描仪存储的每个扫描站数据都是以激光与镜面交点为原点（0，0，0）的扫描坐标系，在SCENCE软件中，确定不同扫描站之间空间位置关系的过程称为扫描注册。扫描注册的过程与摄影测量中的“定向”类似，分为相对注册与绝对注册：相对注册是通过扫描站之间的重叠点云和自身的传感器数据如GPS、罗盘和高度仪等确定扫描站之间相对空间关系的过程；绝对注册是通过标靶与测量控制点进行匹配，实现扫描坐标系向目标坐标系统的转换。

扫描注册是点云数据处理的核心，扫描注册完成后应及时进行数据质量检查，内容包括最大点间距检查（一级精度小于3mm、二级精度小于10mm）、相邻扫描站之间的点云重合率不得小于30%和室内外点云数据应该是一个整体不允许出现分层三项。SCENCE软件提供很好的检查工具，如扫描注册后可以输出精度报告（图3）、三维视图检查数据分层。