三维扫描在历史建筑维护中的应用【上海沪敖3D】

01-引言

中国作为一个历史源远流长、博大精深的国度，自然留下了无数的文化瑰宝，这其中就不乏一些历经过烽火战乱、时间洗礼的古代建筑。它们是中华名族悠久文明和不屈精神的象征，但也由于他们身上具有的宝贵价值，当这些古建筑由于时间长河的冲刷，而遭到一定程度的损伤时，我们在修缮的时候，对其复原的标准和要求也随之提高，不仅需要尽量维持它的原貌，对于其中包含的一些建筑技巧，也要尽量保存，不得破坏，以下就古建筑修缮过程中设备应用做简单的探讨。

我们应在尽量维持古建筑原有样貌的基础上，加以修缮。这就要求我们制定合理的方案，以确保在施工过程中尽可能降低古建筑受到破坏、损失的风险，更加重要的是不能破坏它的历史价值和使用价值。

02-项目背景

现有老旧小区基本是20世纪二三十年代建设，建筑经过一百年的历史，外墙已经褪色、保温老化。天沟淤积、水管老化。屋顶有漏雨情况，小区入口门牌不明显，围墙外墙裸露，影响市容。而且老旧小区楼梯台阶高差大，加之小区居住多为老人，不安全也易引发安全事故。由此引发的维护修缮势在必行，沪小敖针对此次情况，为其量身定制了以下测量技术方案：

屋顶---航空摄影测量

学习过透视学原理的人都知道，一张写实的画作、照片乃至人的视觉都是具有灭点、视点和透视角度的。这就造成了，只依靠单张照片进行测量会出现极大的误差。好在计算机解放了人类，我们现在可以利用计算机软件计算和拼合多张照片，通过几何特征的处理，自动构建数字模型。这种方法的好处是极大地减轻了测绘工作量，无需直接接触被测物，并且可以直接获得建筑物的外立面、由二维图像重建三维简易模型等。针对扫描仪观测不到的屋顶，可以采用无人机进行倾斜摄影，获取屋顶的点云数据，然后与扫描仪数据进行融合拼接，获得完整的建筑模型。

外立面及室内---架站式三维激光扫描

建筑立面测量中，通常情况下最 大的难度就是现场环境的干扰，马路边的植被，来往的车辆，广告牌等等，其次就是测量空间的问题，如狭窄的通道，黑暗的楼梯。所以为了保证外业扫描的高效，确保扫描数据完整无死角，需要提前对现场进行勘察，并对扫描站点进行合理的规划，以确保高效无死角的完成所有扫描工作。

01 勘探地形环境，仪器预热，预设测站点等准备工作完成后开始架站扫描。

02 相邻站点之间要保证数据之间的重叠度以免遗漏，尤其是转角处，对一些复杂的雕花和建筑需要自定义区域精细扫描，可以作为文化遗产宣保的材料。

03 阴暗狭小的楼道也因X12自带闪光灯及HDR，可以获取清晰的数据。

• 最 短测程小：最 小测程0.3m，是目前架站式扫描仪里最 短测程里最 小的

• 自带闪光灯及HDR：是目前架站式扫描仪里唯 一自带闪光灯，可以在黑暗的环境中，也能获取清晰的照片

  如上图所示，狭小的楼道对于其他扫描仪最 短测程0.6m来说，就不太友好，就算勉强可以扫描，但在架站式扫描仪中自带闪光灯的就只有x12了，那选择不言而喻

04数据实时可视，可现场检查其完整性，避免返工。

05数据处理，强大的Trimble Realworks软件支撑，获得精细的模型数据，满足了对原始建筑的存档、测量、检查，并进行修改、修复，获得的三维模型还具有数字展示功能，我们可以在展示平台对物体放大、缩小、旋转等操作进行全方位查看，还能够将古工艺雕花等内容用于宣传展示。

• 可自定义区域扫描：对自定义区域改变扫描分辨率，单独进行扫描

外墙中存在一些独特的雕花，X12可在正常扫描后，对其进行自定义区域精细化扫描，使纹理更清晰，绘画更真实

03-倾斜摄影与扫描仪的结合

      三维激光扫描在地面上以一定的角度扫描，直接获取地表物体的表面三维坐标，形成激光点云数据。

      倾斜摄影测量以无人机平台搭载数码相机，在空中多角度对地表对象进行拍摄获取影像数据，然后基于多视影像的地表同名点坐标进行密集匹配，快速获取地表三维数据。其数据格式一般为JPG 等图片格式，通过相应的软件平台进行空三加密和影像密集匹配算法，自动匹配出所有影像的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云。

      由于密集匹配过程中产生了大量的点云数据，这就为三维激光点云与倾斜摄影密集点云的融合提供了可操作性。地面三维激光点云的高精度可以弥补倾斜摄影近地面区域精度偏低的缺陷，而空中无人机倾斜摄影则弥补了三维激光顶部扫描盲区和影像获取视角不够广的缺陷，将两种方法的点云进行融合，再进行三维建模，就可以实现三维模型整体上的高精度，解决倾斜摄影三维建模局部拉花、底部效应等问题。同时三维激光扫描可以获取地面特征点的三维坐标，可以免除倾斜摄影测量外业布设像控点的工作，大大提高作业效率，降低劳动强度，实现“办公室测绘”。 

      三维激光扫描与倾斜摄影技术的结合，实现了空中无人机航空影像与地面三维激光点云的“空地联合”，全方位无死角获取地表物体的完整表面坐标信息，实现高精度的三维建模。

04-成果展示

对仪器使用者来说，模型精度、点云质量、纹理还有它的效率是我们最关心的，它们直接关系着整个项目的成败。下面展示X12点云样例数据

房屋北向实景照片

X12点云模型

• 精度高：单站精度可以控制在1mm以内，是目前架站式扫描仪里最 高精度

• 数据质量好：10m处的噪声在0.2mm，是目前架站式扫描仪里最 好数据质量

• 分辨率高：最 小点间距：0.6mm，是目前架站式扫描仪点间距最 小

• 扫描速度快：最 大218.7万点/秒，是目前架站式扫描仪里最 大的扫描速度

  此次项目，外业共耗时12个小时，内业达成交付条件共耗时3个工作日。数据模型相对实体基本可以说是一比一复制，相对于其他的扫描仪来说，高质量高效率的数据是我们优先选择使用X12的主要原因。
  

05-产品亮点

除了上述介绍外，X12还有其他亮点：

• 测程长：最 大测程365m，是目前相位式扫描仪里测程最 大的

• 视场角范围大：视场角360°x 320°，是目前架站式扫描仪视场角最 大的

• 手簿自动配准：配备野外使用的军标级三防平板，可现场观看扫描数据，并自动进行配准。既避免扫描数据的遗漏，又不必回到内业花大量的时间进行配准。

• 软件亮点：
  

•  多兼容：强大的点云数据处理平台

  能够处理市面上几乎所有主流品牌的点云数据，包含机载，车载，地面架站式；如Leica、Riegl、Z+F、Faro、Topcon等。

•  多自动：点云自动配准，数据自动分类

   无目标全自动配准，并生成配准报告

• 点云分类功能：能自动提取并分类道路（中心线）、电   线杆、树、建筑物等地物

• 多功能：

  检测、监测、比对分析、平立剖绘图、快速体积、土方计算、半自动化建模等...

• 多专业：

  测绘、建筑、管道、油罐、工业、文化遗产、工厂等...

06-小结

      三维激光扫描技术的应用，为按期、高效地完成老旧小区维护任务提供了强有力的保障，也为今后开展类似项目提供了一个新的解决方案。相比于传统的测量方法，三维激光扫描技术在数据采集效率和成图精度上均有较大提高，减少了人力物力的投入，缩短了测量时间，降低了测量成本。它的不足之处在于街道两旁的植物或杂物会对街区表面信息的采集形成速挡，然而这一困难同样也会出现在全站仪测量建筑立面的时候。总的来说，三维激光扫描技术在任务中的成功应用，为以后解决此类项目提供了一个新思路，具有重要意义。