三維激光掃描技術(shù)在古建測(cè)繪中應(yīng)用
作為近幾年發(fā)展成熟起來(lái)的新型三維測(cè)量技術(shù),已逐步應(yīng)用于古建測(cè)繪當(dāng)中。與傳統(tǒng)古建測(cè)繪技術(shù)相比,它在獲取信息的全面性、以及測(cè)繪工作的高效性等方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。我們通過(guò)測(cè)繪實(shí)踐,總結(jié)出應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建測(cè)繪的具體實(shí)施步驟,希望對(duì)找到該技術(shù)在古建測(cè)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(huì)的發(fā)展,古建筑的價(jià)值逐漸受到人們的高度重視。對(duì)于古建筑必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)和利用。保護(hù)和利用過(guò)程需要對(duì)古建筑進(jìn)行精確的測(cè)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(cè)量方法測(cè)出的結(jié)構(gòu)圖可以表達(dá)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(duì)古建筑進(jìn)行快速測(cè)繪和對(duì)建筑立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá)。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(cè)量技術(shù),“點(diǎn)云”是高速激光掃描測(cè)量中被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)(離散點(diǎn))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(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過(guò)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(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完畢后,應(yīng)用軟件系統(tǒng)隨即快速計(jì)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(diǎn)云原始數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作,如:測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等。可見,三維激光掃描技術(shù)為古建筑測(cè)繪提供了革命性的新途徑,必將成為未來(lái)古建測(cè)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(cè)繪技術(shù)的對(duì)比分析
傳統(tǒng)的古建筑測(cè)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(lái)又出現(xiàn)利用了近景攝影地方法進(jìn)行古建筑測(cè)繪。近景攝影測(cè)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(diǎn),它能夠快速獲取點(diǎn)密度和精度都非常高的建筑物點(diǎn)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(cè)繪技術(shù)相比,三維激光掃描技術(shù)存在明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的古建測(cè)繪方法獲得的是“圖樣”,近景攝影測(cè)量的最終成果是測(cè)繪建筑物平面圖、截面圖、立面圖等。這兩種測(cè)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(xì)部乃至材質(zhì)信息。三維激光掃描技術(shù)能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)獲得傳統(tǒng)測(cè)繪方式數(shù)天或者更長(zhǎng)時(shí)間都不能獲得的古建信息,相比傳統(tǒng)測(cè)繪方法,它節(jié)省了時(shí)間、人力,大大提高了工作效率。同時(shí),三維激光掃描技術(shù)有很強(qiáng)的適用性,在很多復(fù)雜的環(huán)境中都可以進(jìn)行測(cè)量。此外,三維激光掃描設(shè)備通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)的精確獲取,可不依賴輔助光源,實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)。
3、三維激光掃描技術(shù)在古建測(cè)繪中的應(yīng)用實(shí)踐
基于三維激光掃描技術(shù)的這些優(yōu)勢(shì),我們運(yùn)用該技術(shù)在河北省懷來(lái)縣雞鳴驛的重點(diǎn)古建測(cè)繪中進(jìn)行了有益實(shí)踐。通過(guò)這次測(cè)繪實(shí)踐,我們總結(jié)出三維激光掃描技術(shù)在古建測(cè)繪中的具體實(shí)施步驟,希望對(duì)找到其在古建測(cè)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(jìn)行古建測(cè)繪的具體實(shí)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(cè)繪工作初期排定屬于三維激光掃描保護(hù)作業(yè)模式的作業(yè)流程,并詳細(xì)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(cè)繪儀器的操作及維護(hù);測(cè)繪資料記錄組,負(fù)責(zé)整理、記錄測(cè)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(cè)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(diǎn)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(chǔ)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(kù),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(duì)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(jìn)行測(cè)繪的古建筑為中心,向周邊一定范圍推進(jìn),并在合理的位置設(shè)立掃描站點(diǎn),再針對(duì)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)、雕塑、細(xì)節(jié)等做精細(xì)掃描,并將全部掃描站點(diǎn)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(duì)于歷史建筑的保護(hù),最為重要的就是原始信息的保存,做法是對(duì)經(jīng)由三維激光掃描后得到的精確點(diǎn)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(xiàng)需求,將數(shù)字點(diǎn)云建筑模型做分解動(dòng)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(diǎn)云數(shù)據(jù),再依據(jù)影像和數(shù)字點(diǎn)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(duì)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(kù)。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(tái)上建立完整的數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)由RP程序所建構(gòu)來(lái)的實(shí)體化模型,在掌握空間尺度后,可以檢測(cè)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(duì)今后古建筑的修護(hù)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(guò)軟件的編輯和適當(dāng)?shù)娘@示接口,可以制作虛擬實(shí)境(virtual real-ity)及環(huán)場(chǎng)影像(panorama)。通過(guò)這種方法可以在人們面前真實(shí)地再現(xiàn)歷史建筑及其周邊環(huán)境。
4、結(jié)語(yǔ)
三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于古建測(cè)繪工作中,為古建筑研究與保護(hù)提供了新的手段。它在獲取信息的全面性、以及測(cè)繪工作的高效性等方面具有傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。尤其是它“非接觸式”的測(cè)量的手段,不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)古建筑造成損傷,正體現(xiàn)了古建筑保護(hù)的核心思想,即讓建筑物在“不改變?cè)瓲睢钡臈l件下長(zhǎng)期健康存在。但要運(yùn)用三維激光掃描技術(shù),建立一套科學(xué)合理的、實(shí)踐性強(qiáng)的古建測(cè)繪方法,還需要在今后大量的古建測(cè)繪實(shí)踐中不斷探索。
