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三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用

2023-08-29 72 上传者：管理员

摘要：随着三维激光扫描技术的不断成熟，其应用越来越广泛，对于部分领域相关工作的有效开展，起到了非常重要的作用。近些年由于对古建筑保护工作重视程度的不断加强，三维激光扫描技术如何有效地有效地应用在古建筑保护工作中，成了相关领域中重点研究的内容之一。因此，在了解三维激光扫描技术相关内容的基础上，结合我国古建筑保护工作中对于三维激光扫描技术的实际应用情况，提出未来技术的应用展望，为古建筑保护工作提供更大的支持。

关键词：
三维激光扫描技术
保护
古建筑
建筑保护
建筑工程
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目前中国的不少古建筑修缮、保存过程中，由于缺少房屋结构图、损坏程度判断困难的情况，所以需要一个快捷而全面的建筑物检查方法。三维激光扫描技术是一个高速、无接触式、精确的测量方法，适应建筑保护时的使用需求。因此，在准确了解技术相关内容、优势的基础上，要对技术的应用流程展开全面分析，提出应用过程中体现出的不足，并且以此为依据对技术应用进行展望。通过进一步强化该项技术的应用有效性，为古建筑保护工作的不断发展和进步提供支持。

1、三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术，是在20世纪90时代中期问世的新兴三维空间检测技术。它是融合了多项高新技术的一种空间信息与资料收集的新方法。这一工艺技术在国际上具有领先水平，但在国内还处在发展时期。该体系主要由地面三维激光扫描仪、数字摄像机、后处理软件、地面电源系统及其附属装置等组成，主要通过非接触式的高速激光测量方法，收集地理环境和复杂建筑物中的几何形状信息和影像资料。并通过后处理软件，把所收集的光点云信息和影像资料，加以加工处理转换成绝对坐标体系中的空间位置坐标或模式，以多种不同的形式传递，以适应地面航空信息系统的新数据源以及各种应用的需求[1]。

2、三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用步骤和具体操作

三维激光扫描的检测任务，整个过程一般分为场景勘察和定点、扫描、光点云数据处理和建模等过程。各个步骤都有相应的执行条件以及详细过程，具体来说：一是现场勘探与定点，在三维激光的检测项目中，为获得在工程现场的三维整体数据信息，往往要求多测站从多方面对现场实施激光扫描，所以必须针对工程的特点和情况加以研究，并制定好激光扫描计划。通常先明确要激光扫描的区域，在明确了扫描区域后再按照设备的仪器型号，初步确定激光扫描点的位置布局。而为了保证整个激光扫描效率，一般的二台数据要保持在四分之一～三分之一的高度重合。布置激光扫描点时要同时布置在攻击，并完成了之后的点云数据拼接作业。如果将工程要求的激光扫描位置信息，要求与当地的全国测量控制坐标系信息相配合，即可通过全站仪实现控制计算测量，并且对激光扫描的靶子实现了位置确定；若不要求，则只需在布置进攻目标前注意确保相邻二台间必须有三个固定进攻目标即可。二是扫描实施，制定了扫描计划后，就应该具体实施拍摄，在计划中确定的主要拍摄地点上架设三维激光扫描仪，在搭建扫描机前可把扫描仪适当的架高，主要理由有以下两点，第一是较高的飞机高度能够防止扫描机被隧道围栏等东西过度挡住；第二是能够防止因拍摄中激光束与大地角度差过小而导致的准确度降低。采用脉冲三维激光扫描仪在对目标实施拍摄后，从扫描机的视野区域内圈选主要拍摄对象可大大减少拍摄时限，提高工作效率；而采用相位三维激光扫描仪在较严重情况下能够实现全景拍摄[2]。点云的疏密程度决定了目标点位间距，对于细节较多的部分可选择高分辨率间隔拍摄，对于墙体较平滑部分则可选择低分辨度的方法。另外，由于拍摄区的人流中可能会出现噪点，因此拍摄后还需进行观察点云以判断是否是进行补扫或再次进行拍摄。在数码拍摄结束后，还必须对数字化的场景进行拍摄，以获得颜色等贴图数据。如当扫描机的自带相机像素过低而无法达到贴纸要求时，就必须使用高像素的数码照相机手动补拍。图片既可用于在该领域建模后的贴图应用，也可为多点拼接的依据。三是点云数据处理，首先，针对在实际扫描过程中，环境对于扫描方向产生的遮蔽、阻挡问题，如行人、树木等，造成实体自身光反射特征与实际情况存在差异。因此，必须要对点云实施筛选，将云结果中存在的不平衡点、无差点去除。实际操作中，一般采用过滤算法，确保该流程的自动进行。

3、三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用问题及解决措施

古建筑的结构复杂，内层功能多样；在建筑层级很多时，三维激光并无法收集最内层的数据信号。所以，在人们使用三维激光测量建筑高度时，不可避免地会出现不足之处：一是扫描范围局限，三维激光的扫描通常是在特定区域内才可行的，区域通常为1～500m。由于被测设备和材料的反射能力发生了改变，区域面积也可能因此增加或者缩小。以500m为例，则其扫描的空间范围是以250m为零点五径的球体，去除测站正下方四十五度圆锥体。二是采集点不完全，三维激光所发出的是紫外线，并不会产生穿透性，所以被遮蔽的部分不可以被扫描，而交错的结构的内容也无法被显示。三维激光仪器收到的都是激光的反射脉冲，镜面反射角和超临界入射角之间的材料信号接收不到；并且，对材料的信息也没了收集。

4、三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用展望

基于古建筑保护工作中，三维激光扫描技术应用的局限性，结合古建筑保护工作的实际要求，未来有必要从以下两个方面进行完善：首先，信息化建模（BIM技术），自2002年以来，在国内外建材行业中出现了大量根据BIM（信息化模型）为核心内容的国外建材行业信息化应用技术。如在建筑设计业务中，使用了基于BIM技术的CAD应用软件，可以承载原二维CAD应用软件的所有功能，其描绘建筑图样的基础元件并非CAD中的点、直线、圆弧、图块等基本简单绘图元，而是墙体、门框、梁柱等建筑工程专业对象，并通过建筑语言来表述的建筑设计信息。信息化发展模型比传统定义上所提出的三DMAX模型具有质的飞跃，它的最大优点在于运用了GIS（地理信息系统）的基本思想，将空间资讯与非空间资讯组合起来。而传统三维模型则仅仅只是在计算机里设置了一个三维模型，可是如果没有人的主观意志的判断，计算机是无法告知人们建模内的所有图形的名字、材质、时间等其他空间内容的。

5、结语

三维激光技术正是因为其计算时限少、获取信息范围广、计算精度高、计算信息自动化，和其光点云可以进行更深层次的模型重构，而应用在了古建的保护上。因此，在明确该项技术四个应用流程的基础上，也要从信息化建模、古建筑保护工作模拟两个方面，对该项技术的应用进行完善。更好地将技术优势发挥出来，为我国古建筑保护工作的进一步发展提供支持。

参考文献:

[1] 狄海宁.三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用[J].城市建设理论研究,2021(5):34-35.

[2] 李娜,李吾伊.三维激光扫描仪在古建筑检测中的应用研究[J].江苏建筑,2021(z1):60-62.

[3] 沈健,程枭肿,陈晓虎.综合测绘技术在古建筑现状勘察中的应用研究——以养心殿东配殿综合测绘项目为例[J].北京测绘,2021,35(10)1256-1261.

[4] 王珍.贵州省古建筑测绘建档技术探索[J].科技资讯,2021,19(30):177-179.

文章来源:田立臣.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].新疆有色金属,2023,46(06):86-87.