三維激光掃描技術(shù)在古建測繪中應(yīng)用
作為近幾年發(fā)展成熟起來的新型三維測量技術(shù),已逐步應(yīng)用于古建測繪當(dāng)中。與傳統(tǒng)古建測繪技術(shù)相比,它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。我們通過測繪實踐,總結(jié)出應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進行古建測繪的具體實施步驟,希望對找到該技術(shù)在古建測繪中的最佳使用方法有所幫助。
1、引言
古建筑延續(xù)了歷史文脈,是人類文明的載體。隨著社會的發(fā)展,古建筑的價值逐漸受到人們的高度重視。對于古建筑必須采取積極的手段進行保護和利用。保護和利用過程需要對古建筑進行精確的測繪工作,傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測量方法測出的結(jié)構(gòu)圖可以表達建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu),但由于技術(shù)手段的局限,難以對古建筑進行快速測繪和對建筑立體空間進行清晰的表達。三維激光掃描技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代中期出現(xiàn)的新型三維測量技術(shù),“點云”是高速激光掃描測量中被測對象的采樣點(離散點)集合,它反映物體或地形表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)。三維點云數(shù)據(jù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口可以被各種相關(guān)處理軟件系統(tǒng)使用,當(dāng)各種實體點云數(shù)據(jù)采集完畢后,應(yīng)用軟件系統(tǒng)隨即快速計算出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。采集的三維激光點云原始數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作,如:測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等。可見,三維激光掃描技術(shù)為古建筑測繪提供了革命性的新途徑,必將成為未來古建測繪必不可少的新技術(shù)。
2、三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)古建筑測繪技術(shù)的對比分析
傳統(tǒng)的古建筑測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸,而獲取的最終資料是“圖樣”(即圖紙)和一些文字記錄。后來又出現(xiàn)利用了近景攝影地方法進行古建筑測繪。近景攝影測量的兩部分工作中(攝影及影像處理和制圖)采用的是光學(xué)方法和模擬制圖工藝,最終成果是以光學(xué)像片表示的影像資料和以紙質(zhì)形式表示的圖件資料。三維激光掃描技術(shù),它具有快速、精確、多方位的特點,它能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數(shù)據(jù),可廣泛應(yīng)用于古建筑和古文物模型的重建等逆向工程中。
與傳統(tǒng)古建筑測繪技術(shù)相比,三維激光掃描技術(shù)存在明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的古建測繪方法獲得的是“圖樣”,近景攝影測量的最終成果是測繪建筑物平面圖、截面圖、立面圖等。這兩種測繪技術(shù)獲得的均是反映建筑物信息的二維平面圖紙,而三維激光掃描技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)則是建筑物的三維空間模型,模型中包含了建筑所有結(jié)構(gòu)、細部乃至材質(zhì)信息。三維激光掃描技術(shù)能夠在幾個小時內(nèi)獲得傳統(tǒng)測繪方式數(shù)天或者更長時間都不能獲得的古建信息,相比傳統(tǒng)測繪方法,它節(jié)省了時間、人力,大大提高了工作效率。同時,三維激光掃描技術(shù)有很強的適用性,在很多復(fù)雜的環(huán)境中都可以進行測量。此外,三維激光掃描設(shè)備通過發(fā)射激光束來實現(xiàn)三維坐標(biāo)的精確獲取,可不依賴輔助光源,實現(xiàn)全天候作業(yè)。
3、三維激光掃描技術(shù)在古建測繪中的應(yīng)用實踐
基于三維激光掃描技術(shù)的這些優(yōu)勢,我們運用該技術(shù)在河北省懷來縣雞鳴驛的重點古建測繪中進行了有益實踐。通過這次測繪實踐,我們總結(jié)出三維激光掃描技術(shù)在古建測繪中的具體實施步驟,希望對找到其在古建測繪中的最佳使用方法有所幫助。安排人員應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進行古建測繪的具體實施的步驟與方法如下:
第一,劃分三維激光掃描工作組。即在測繪工作初期排定屬于三維激光掃描保護作業(yè)模式的作業(yè)流程,并詳細分配人員組織安排。主要可分為以下幾組:三維激光掃描操作組,負(fù)責(zé)測繪儀器的操作及維護;測繪資料記錄組,負(fù)責(zé)整理、記錄測繪古建的文字紀(jì)錄、影像紀(jì)錄、掃描死角的建筑構(gòu)件大樣描繪等,使得測繪工作更加完善,確保收集的古建信息豐富且完整;數(shù)據(jù)建模組,負(fù)責(zé)依據(jù)收集到的三維坐標(biāo)數(shù)字點云信息,制作效果圖或相應(yīng)的RP模型;軟件描繪組,負(fù)責(zé)將模型數(shù)字信息導(dǎo)入具有描繪功能的電腦軟件,繪制出完整的古建記錄圖;建檔儲存組,負(fù)責(zé)將所有古建筑的數(shù)字化信息集成統(tǒng)一的資料庫,便于搜索、調(diào)用、共享。
第二,建立古建筑的形體屬性。使用三維激光掃描技術(shù),對古建筑及其周邊環(huán)境做整體性的掃描紀(jì)錄。即以需要進行測繪的古建筑為中心,向周邊一定范圍推進,并在合理的位置設(shè)立掃描站點,再針對構(gòu)件、結(jié)構(gòu)、雕塑、細節(jié)等做精細掃描,并將全部掃描站點利用重復(fù)參考坐標(biāo)系做全景拼接,以獲得完整的歷史地段控件屬性。
第三,整理、完善原始古建筑信息的保存。對于歷史建筑的保護,最為重要的就是原始信息的保存,做法是對經(jīng)由三維激光掃描后得到的精確點云數(shù)據(jù)作重新優(yōu)化處理并附上色彩屬性,而后依據(jù)保存記錄的各項需求,將數(shù)字點云建筑模型做分解動作;經(jīng)由正射切割的三維模型投射到同一平面系統(tǒng)之后,可制作成正射影像或直接導(dǎo)出點云數(shù)據(jù),再依據(jù)影像和數(shù)字點云信息描繪邊緣成為常用二維CAD靜態(tài)圖像,如:平面、立面、剖面、大樣等,即可完成對歷史建筑現(xiàn)狀圖面保存記錄。
第四,建立古建筑數(shù)字信息數(shù)據(jù)庫。將處理完成的數(shù)字化信息依據(jù)歷史建筑尺度大小、構(gòu)件屬性、文件格式、媒體類別等分門別類,并在同一虛擬平臺上建立完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),以輔助工作組間數(shù)字信息資料的相互搜尋、查詢、編輯、傳送,如此建立完成后的古建筑數(shù)字化信息能被多元化的交互使用。
第五,制作相應(yīng)的RP模型。三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)經(jīng)由RP程序所建構(gòu)來的實體化模型,在掌握空間尺度后,可以檢測歷史建筑的變形量、沉陷量、偏移量,同樣的方式也適用于但以構(gòu)件或浮雕裝飾,對今后古建筑的修護工作起到重要的作用。
第六,以掃描所取得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過軟件的編輯和適當(dāng)?shù)娘@示接口,可以制作虛擬實境(virtual real-ity)及環(huán)場影像(panorama)。通過這種方法可以在人們面前真實地再現(xiàn)歷史建筑及其周邊環(huán)境。
4、結(jié)語
三維激光掃描技術(shù)運用于古建測繪工作中,為古建筑研究與保護提供了新的手段。它在獲取信息的全面性、以及測繪工作的高效性等方面具有傳統(tǒng)測量技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。尤其是它“非接觸式”的測量的手段,不會對傳統(tǒng)古建筑造成損傷,正體現(xiàn)了古建筑保護的核心思想,即讓建筑物在“不改變原狀”的條件下長期健康存在。但要運用三維激光掃描技術(shù),建立一套科學(xué)合理的、實踐性強的古建測繪方法,還需要在今后大量的古建測繪實踐中不斷探索。
