GLS-2000三维激光扫描仪 文物保护案例

古建筑蔓延了历史文脉，是人类文明的载体。随着社会经济的发展，古建

筑的价值逐渐受到人们的高度重视。对于古建筑， 必须采取积极的手段

进行保护与利用。保护与利用的过程需要对古建筑进行维护、整理与修

复，同时也需要保护或恢复历 史街区的空间格局与尺度。重大历史建筑

在修复前都需要进行的测量，以取得较完备的科学记录档案，为古建

筑的规 划保护和修复提供手资料，同时也是研究古建筑史和建筑理

论的重要资料。

项目系统介绍

一、现状分析
目前阶段，认识古建筑和研究古建筑的普遍途径是手工测绘以及普通测量。我国传统的古建筑测绘方法一般为人工实量法。
由于这一方法费时费工、效率不高，难以保证观测结果的精度，而且成本高也不安全，人们越来越体会到使用这一方法的
不便性。近年来随着空间定位技术、计算机技术和地理信息系统的应用，古建筑测绘技术已进入数字化时代，已发展成为
以 3S 集成为特征的新技术应用。
二、存在问题
为了减小测量误差，提高测量结果的精度，需要了解误差的主要来源及产生的原因，以便采取相应的措施。古建筑测绘中
存在的问题主要有：
1. 建筑物现状问题：由于长期承受荷载、基础的不均匀沉降、材质的不同还有外界自然因素的影响等，构件发生不同程度
的收缩、弯曲等多种变形以及其他部位的损坏。
2. 总尺寸与分尺寸不统一，即各个组成部分分别测出的尺寸之和与整体测出的尺寸不符。
相对于这两大问题，解决的方法和应当遵循的原则如下：
1. 对结构有重大影响的变形及破坏应按照原有状态测绘，选择若干个同类构件进行测量和比较，找出其中量大的数值作
为这类构件的统一尺寸；
2. 对结构没有重大影响的变形及损坏应依照现状测绘，以真实地表达古建筑的存在状态，保持其历史感和时间感；
3. 次要尺寸服从主要尺寸 , 分尺寸服从于总尺寸 , 少数服从多数；
4. 后换构件应服从于原始构件。应找出建筑物各个部分的原始构件加以测量。从而定出统一尺寸。而不能以某一构件的某
个尺寸数量多，或某个构件保存得完好，来决定统一尺寸。

拓普康三维激光扫描技术优势

在古建筑研究的活动中，用户需要关于研究对象的完整性数据。三维激光

扫描技术是一项通过高密度的扫描点来记录和表达被测古建筑形状的技

术，三维点云是原始的测量数据，被测建筑物的几何空间信息都被包含

其中。如何利用点云，如何在点云的基础上通过软件来提取空间信息，决

定了三维激光扫描技术在古建筑保护及维护行业内的应用方式和成果形

式。

从对点云的应用方式来看，可分为档案记录型应用、尺寸量测型应用、三

维可视化型应用和逆向重建应用。从终的提交成果形式可分为二维图件

形式（各种平、立、剖面图，等值线图）和三维图件形式（三维高密度点

云数据、三维 CAD 模型、三角图片格网等）。利用三维激光扫描技术进

行古建的保护，目前主要集中在档案记录、三维可视化及虚拟三维重建几

个方面。

1. 非接触式测量

运用免棱镜测量的工作模式，工作人员无需攀爬到楼顶，也可以获取准确

的数据，既能保护文物的安全，也能保障工作人员的安全。

2. 三维可视化

由于三维激光扫描技术是以较高的密度连续采集等间隔的点，而且每个点

具有三维坐标、点所处被测古建筑表面材质反射强度和颜色信息，因此我

们可以直接通过将这些记录被测古建筑的点在同一窗口内显示的方法来浏

览和观察被测古建筑的外观和内部特征。由于三维激光扫描仪采集数据快

速，被测古建筑可在的时间间隔内被多次测量，方便用户分析其变

形情况，并在关键部位标注符号，标明该部位的实时状态。

3. 虚拟三维重建

被测古建筑的点云集合可以看做是立体模型。点云模型可以构建三维数字

模型，以作虚拟现实和模拟修复等应用，亦可制成各类工程图、结构图、

切面图等。自此实现室内外空间模型的*一体化和模型建构的*

可逆操作，有助于古建研究以及其他专业利用其在各自领域作更深的拓展

研究。全面的古建筑模型信息可以帮助研究人员更加深入地探究古建筑

的结构、艺术价值、营造方法。

应用案例 — *故居（使用 GLS-1500）

*故居始建于 1892 年，2002 年 6 月 25 日，国务yuan确定张闻

天故居为全国重点文物保护单位。2003 年 1 月，被上海市政府命名

为“上海市爱国主义教育基地”。

为了更好的保护*故居，我们进行了建筑物扫描、建筑物点云数据处

理与编辑、可视化平台下的模型展示及虚拟三维重建的工作。

图 1 数据采集方案示意图

2. 点云拼接

外业测量根据上段所述 3 个测站按顺序进行了测量。本项目采用了 GLS-

1500 *的一体化集成操作模式，并从连接点测量、测站 / 后视测量和

导入坐标值测量法等三种测量方法中， 选择了连接点测量方法进行

测试。连接点测量方法测量法简单、且易操作，适用于测量范围在

330 米之内的区域。

外业测量过程中，待测对象和标靶是分开进行扫描和测量的。我们可以首

先选择测量标靶的命令，照准标靶位置，记录点位。之后，在同一个测站

位置上，我们选定测量区域，测量距离与间距，扫描仪即可自动开始

扫描。在内业处理过程中，将测站一、测站二及测站三的点云数据、图像

数据及连接点数据（标靶）输入到后处理软件，并将不同测站下的相同连

接点（标靶）一一对应，就可将点云数据拼接到同一坐标系下了。

拼接完成后的点云效果如下图：图 3 整体建筑点云效果图 4 局部建筑点云

1. 数据采集方案

经过现场勘察分析，我们共布置了 3 个测站，并将测站和测站使用标靶

连接点方法进行了拼接。测站、标靶分布如下图所示：

3. 建模流程

三维模型建立的流程一般由特征线提取和模型构建两部分组成。

A、特征线提取

特征线提取可采用多种方法。如自动提取剖面、等值线，根据电云自动拟

合线段、圆柱、圆锥、多边形等基本几何形状等。

本项目成果包括单线结构图，提取时采用了先绘制三维结构线，再统一投

影到同一二维平面的方法，以保证结构线的平面精度。本项目提取所采用

的使用的软件为 Topcon 公司自行研制开发的后处理软件及 AutoDesk

公司的 AutoCAD 软件。

B、三维模型和虚拟现实的创建

基于线划图的三维模型创建方法的主要思想是由线成面。将 CAD 线划图

导入 3DMax 软件中。基于点云每个方向构件的线划

图间都具有准确的位置关系，将前后左右上下六个立面图一同导入后，可

合成完整的建筑结构图（图 9）。

在这个完整的线框图上，可根据建筑的结构，逐一搭建实体模型，比如

3DMax 里的基础几何模型 BOX，PLANE 等（图

10）。

逐步细化模型直至整体建筑模型大体形态基本成型（图 11）。

之后将基础模型进行纹理贴图，并对整个场景的灯光进行设置（图

12）。

在 3DMAX 里面将模型贴图整理完成，并且检查无误后。将整个场景导

入三维虚拟平台，进行平台测试。在平台中添加天空、景深效果，以及对

一些材质做细化处理（如反射等）以求更好的表现效果。然后进行

UI（用户界面）设计，添加天气系统等，使虚拟现实场景具备漫游设置、

测量距离等功能。

使用三维激光扫描仪比较常规测量仪器对建筑物进行测量与成图工作，它

更具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，

可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，能够实现与设计图纸进

行分析比较，以确定其形变误差大小等。三维激光扫描测量技术已经在测

绘领域有广泛的应用。激光扫描技术在高大建筑物数字高程模型的高精度

的实时获取方面已经表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个

重要补充。现在在大型建筑的变形监测工程、环境检测和城市建设方面等

均有成功的应用实例。

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