摘要： 将三维激光扫描技术运用于古建筑的测绘和保护中，根据测绘场地的结构和复杂程度以及仪器的扫描范围和精度限制，研究出一个合适的测量方案，确定测站数和测站位置，进行全方位扫描，经过点云数据处理和纹理映射，得到三维彩色高精度的测量数据。

关键词：激光扫描技术;SLAM技术;古建筑保护;土木工程

三维激光扫描技术的应用在土木工程具有重大意义，尤其是在古建筑测绘和保护中，它具有高效率、大覆盖率完整获取信息、非接触式采集信息等众多优势。我国的古建筑种类众多，空间结构复杂且建筑风格各不相同，面对着考察的位置难以抵达、考察的区域具有危险或考察的项目不易触摸的复杂条件下，测绘工作会面临着测绘效率低、信息收集不全、或者造成古建筑破坏，甚至无法完成任务的尴尬处境，三维激光扫描技术可以在非接触的条件下采集信息并且高效、无遗漏地获取信息、三维激光扫描能够不断更新变化提供准确实时的点云信息，记录储存信息等优势。将三维激光扫描技术运用于古建筑测绘和保护中，使得测量更为方便、高效，精准。

1、传统古建筑保护、测绘背景

我国是文化大国，拥有着五千年的历史，具有许多古建筑是我国古代建筑艺术与技术，凝结着数千年古人的智慧，这些古建筑具有重要的历史、经济和文化价值，对这些建筑进行研究，可以让我国古代建筑文化得以传承与发扬。我国对于这些文物建筑的测绘和保护工作非常重视，通过测绘为文物建立专门的数据档案，为以后的文物保护、维护维修、评估等工作提供翔实的资料，这也是做好文物保护的前提。

国内目前有这几种主流的测绘方式：其一是精密式测绘，其二是法式测绘。精密式测绘主要是使用先进的测绘技术，这种方法获得的数据更加精确，对于文物本身更不会造成破坏，目前使用最多是三维激光扫描技术;法式测绘技术是相对于精密测绘技术而言的，是采用人力测量的方法，其简单易行，目的是还原某建筑或者建筑群的理想型，此时测绘所需记录的并非所有尺寸，而是建筑的关键尺寸。但是比较耗费人力、物力，获得数据的精确度较差，目前这种测绘方式主要用于文物建档。

2、激光扫描技术在古建筑保护、测绘中的应用

2.1三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术，是测绘领域的一次技术革新，消除了以往测绘技术的局限性，使测量精度、工作效率都发生了质的飞跃。三维激光扫描它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，将实物立体信息转换为计算机可以处理的数字信号，再经过一系列的数据处理，可以快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据或是1：1 的彩色三维模型。[1]单个三维空间坐标被称为一个点，大量空间三维坐标的集合被称之为点云，都是通过三维激光扫描仪进行采集而来。点云还包含每个三维坐标位置的色彩及反射强度等信息，可准确反应空间位置。如今三维激光扫描技术可以非接触式扫描，一步完成对全部构件尺寸的精细测量，并且得到了构件形状的点云数据，通过后期专业软件对点云数据的处理，可得到完整的古建筑三维立体模型，各平面位置，关键尺寸都可轻松得到，快速完成测绘任务。

三维激光扫描技术完全改变了传统的作业方式，以往需要多人进行外业测量，耗时耗力，如今只需要一人就可以在很短时间内完成测绘任务，极大的节省了人力物力。现在的测绘是将大量人工外业工作转变为对点云数据的高度自动化量测，避免了传统测绘方式精度不高、频繁接触导致古建筑损坏、考虑外业工作人员安全等多种不利因素。[1]

2.2 SLAM技术原理

SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）是同步定位与地图构建技术，最初由R.C.Smith和P. Cheeseman 研究而提出，最早在机器人领域提出，它指的是：机器人从未知环境的未知地点出发，在运动过程中通过重复观测到的环境特征定位自身位置和姿态，再根据自身位置构建周围环境的增量式地图，从而达到同时定位和地图构建的目的，主要用于解决机器人在未知环境运动时的定位和地图构建问题。[2]

SLAM技术无需GNSS信号，对工作环境又有极高的适应性，SLAM技术可以在测绘领域发挥显著优势，具体表现为：外业数据采集速度快，效率高、可快速获取大量点云数据、内业点云预处理时间短，自动化程度高、操作简单方便，不需要进行搬站，省时省力、基于SLAM技术的手持激光雷达扫描仪工作时间长且故障率低。[3]

2.3三维激光扫描技术应用案例

此技术所运用的对象实例是具有1500年历史的云冈石窟。作为世界文化遗产，云冈石窟是一座石窟艺术的宝库，是国内少有的由一个民族在一个朝代雕刻而成的石窟群，见证了中、西文化、少数民族文化和佛教文化的交流融合，是举世公认的历史文化瑰宝和中国古代文明结晶。令人遗憾的是，云冈石窟由于受到风化、地震等自然侵蚀的影响，同时再加上人为的破坏，毁损十分严重。

为更好地保护这一珍贵的历史文化遗产，云冈石窟研究院从上世纪 60 年代以来，就一直探索运用现代科技对石窟实施各种保护和修复，但是，由于石窟复杂的地形和风格各异的佛像，导致石窟的调查和测绘一直都是困扰文物工作者的难题，目前还没有全面的洞窟现状调查和测绘报告，文物保护和修复工作者难以下手。[4] 直到技术革新三维激光扫描技术的出现，难题变得迎刃而解。

2.3.1点云数据的采集。外业点云数据的采集需要使用不同精度的三维激光扫描仪，并且需要按照一定的顺序使用三维激光扫描仪，首先使用精度为2毫米的扫描仪对石窟的整体外立面和窟顶进行大范围多角度的扫描;再用精度为0.3毫米的扫描仪对石窟内壁及特征部位进行扫描;最后使用精度为0.1毫米的手持式扫描仪对石窟细节部分或之前未扫描部分进行补充和完善，以保证数据完整性和准确性。在进行扫描的时候，需要保证两点，一是要确保测站与测站之间要有一定的重叠度，最少不小于30%，确保点云数据能顺利拼接;二是在扫描的过程中若是仪器出现故障导致扫描中断，待仪器恢复后需要重新进行扫描，不能接着连续扫描，不然会严重影响数据的完整度和准确性。

2.3.2影像数据采集。影像数据采集是对建筑原始的彩色纹理的进行收集，给予点云数据模型彩色纹理，为黑白的数据“上色”，使最终的数据呈现彩色三维模型。在拍摄的时候要取目标物的高分辨率全景正面图，保证纹理数据清晰。影像采集应使用满足分辨率要求的单反相机和CCD相机，其中单张相片拍摄设置到相机的最大分辨率，并且在相邻照片之间的重叠度不小于30%，以保证石窟色彩还原、分辨率、位置关系等方面。

2.3.3控制测量。要根据扫描场地的限制和目标物的结构特征确定一条合适的扫描路线、以及所需的扫描站数，保证能够全覆盖多维度的将被测物体进行扫描。除此之外要精确测定控制点的三维位置，用以辅助、检验三维激光扫描数据，并保证三维激光扫描数据与控制测量在同一坐标内。

2.3.4点云数据配准。扫描仪每次扫描只能得到部分点云数据，每次扫描所得到的点云数据是在以当前测站为原点的坐标系系统之中，想要得到完整的洞窟数据需要把不同站点的点云数据进行整合拼接。点云数据的配准就是，通过多个同名控制标靶，将不同测站的点云数据进行拼接整合最后放在同一个坐标系之中。同名控制标靶的设立要在相邻测站共同区域内达到3个或3个及以上，标靶配准后在软件中得到更高精度

2.3.5点云数据降噪和上色。在海量点云数据中不仅包括扫描对象的点云数据还存在噪声点和无关点，这些是由于扫描仪自身问题或者人为干扰，点云数据会因多站点噪点积累随之增加，造成数据量成倍增长，这些数据和扫描对象无关，为方便后期数据整理、生成模型更加光滑平顺（处理后的壁面数据点在2千万左右），需要及时剔除这些无观点和噪声点。后期采用多边形优化法对模型进行优化，在保证模型精度的情况下对多边形进行简化和优化处理，同时采用相应技术软件对三维数据后处理，生产高精度、高精细度彩色点云，生产局部全景图，最终得到彩色三维数据模型。

3、结语

本文立足于测绘新技术、新方法、新设备，详解介绍了手持激光扫描仪中三维激光扫描技术、SLAM技术的原理和优势，在精度、速度、操作显示出显著的优势，大大节省了人力物力，弥补了传统测绘的不足之处。结合云冈石窟实例，体现了手持激光扫描仪高覆盖率、高精度等优势，解决了云冈石窟的难题，证明了三维激光扫描技术对于古建筑的保护和修复具有重要意义，在文物修复应用方面具有广阔前景。

参考文献

[1]蔡锐.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].技术与市场，2020，27（11）：89+91.

[2]刘志强.基于SLAM技术手持三维激光扫描仪在铜矿山井下的应用[J].中国矿山工程，2021，50（02）：13-16.

[3]黄鹤，佟国峰，夏亮，李勇，岳晓阳，姜斌.SLAM技术及其在测绘领域中的应用[J].测绘通报，2018（03）：18-24.

[4]吴月琴.云冈石窟18窟数字化技术的应用[J].城市勘测，2015（06）：89-93.

课题项目：东北林业大学 2021 国家级大学生创新创业项目：SLAM100手持激光雷达扫描仪在土木工程中的应用研究。

作者简介：张骏（2002-），男，汉族，安徽省合肥，2021级东北林业大学奥林学院在读本科生，研究方向：工程管理。

通讯作者*：于坤（1980-），女，汉族，黑龙江双城，在读博士，讲师，研究方向：道路与铁道工程。