基于三维激光扫描技术的古城墙精密测绘

　　古建筑测绘是对历史建筑现状记录的方法之一，通过对建筑物进行测量，并以一系列图纸予以表达。在传统古建测绘中，利用尺子和水平管等工具量取建筑物平面、立面或剖面特征点的位置，以及相应特征线的距离，进而利用古建筑设计和现状的几何关系绘出线性特征图。在图纸绘制的过程中，根据建筑物的建造规律，对实际测量的数据进行简化和归纳，而对于建筑物的一些实际偏差如变形、缺损、加工差异等均被人为加以纠正。这样的测绘被称为“法式测绘”，即按照营造法式绘制理想状态的建筑图。然而，法式测绘对于大量民间地方历史建筑遗存很难适用。随着科技的发展，古建筑精密测绘技术不断进步，GPS、全站仪、摄影测量和测量机器人等相继加入，改进并丰富了测量手段，而三维激光扫描技术的出现，无疑把古建筑精密测绘从单点或多点定位测量，提高到了密集点云数据采集的新高度。

　　三维激光扫描技术，是上世纪90年代中期出现的一项高新技术。它是测绘领域继GPS空间定位技术后的又一次技术突破。近几年来，该技术被广泛地应用到文化遗产保护领域。它可以在不接触对象本身的前提条件下，快速地获取物体表面包含外观尺寸、形态特征、颜色纹理等信息的三维点云数据。

　　基于三维激光扫描技术的测绘，是采用动态GPS技术全局定位和控制点设定，全站仪整体误差控制、三维激光扫描仪数据采集、计算机软件测量及手工补充测量为一体的古建筑精密测量技术。

　　郭峪古城位于山西省晋城市阳城县东21公里的北留镇北郭峪村中，城墙始建于明崇祯八年，周长约1400米，呈不规则形，南北向宽，东西向窄，城内面积17.9万平方米，墙体平均高度约12米。开设东、北、西城门三座，水门一座，城墙内侧开凿有三层六百余眼窑洞，因而也被形象地称为“蜂窝城墙”，现存城墙遗迹约1000米。2012年6月，山西省考古研究所联合山西省古代建筑保护研究所对该城墙进行了测绘，其成果将为郭峪城墙的保护修复设计方案提供实测依据。

　　由于城墙整体结构较为复杂，且大部分被民房遮挡，周边测量环境较差，项目组采用了古建筑精密测量技术。

　　从图1可以看出，根据测量对象不同，各种测量手段的精确度及工作效率都不相同。同时还可以看出三维激光扫描在对大多数对象测量中，相对而言最稳定，精确度及工作效率都相对较好。而对于极个别测量对象，传统手工测量或全站仪测量在精确度及工作效率上优于三维激光扫描。

　　动态GPS全局定位

　　郭峪城墙整体呈相对复杂的不规则形，为精确定位城墙的方位，项目组采用动态GPS技术，围绕城墙走向建立了上百个基于西安80坐标系的测量控制点，形成测量控制网，为全站仪提供相互通视的参照控制点。

　　全站仪误差控制

　　三维激光扫描仪单站扫描的精度可以达到2~3毫米，而多站数据拼接的累计误差很难控制，累计误差会随着测站的增加不断扩大，单一使用平面标靶或球形标靶不能得到很好的拼接精度，全站仪单点测量的精度优于三维激光扫描。在此次测绘项目中我们采用全站仪对每个扫描站点的标靶进行一一定位，将其精确地统一到同一坐标系下，起到全局误差控制的作用，进而提高了多站数据配准拼接的精度。

　　多站三维扫描

　　从多方面考虑，本项目采用了天宝FX相位式三维激光扫描仪，它对郭峪城墙扫描的实际有效半径约为30米，采集的点云数据平均点距为0.3~0.5毫米，不仅能从扫描距离上满足项目需要，密集的点云数据还可以进行墙体病害分析。由于三维激光扫描仪是基于可见光原理的特性，扫描过程中所见即所得，不具备穿透性，对于结构复杂的对象需采取多站扫描，多次测站数据互补的方式，尽可能扫描到相对完整的三维点云数据。

　　计算机软件测量

　　将现场三维扫描的数据在点云处理软件中进行点云预处理、去噪、抽稀、多站数据配准、拼接、融合、除冗等一系列优化处理后，得到可进行测量剖切的城墙三维数字模型。本项目数据测量的部分采用了AutoCAD软件平台的点云测量插件Pointools，在该软件中只需点选任意两点即可获得其多项尺寸，对城楼的木质构件测量比手工测量更显方便快捷，如梁架的厚度、立柱的直径等尺寸都可在瞬间得到。

　　手工测量

　　手工测量在某些空间狭小的区域，有一定优势，对于不存在架设三维扫描基站的区域，项目组采用手工测量的方式来完成，作为整体测绘的补充数据。

　　测量精度与点云分辨率的取舍

　　三维激光扫描得到的点云数据量较为庞大，现有的民用计算机硬件不能快速完成数以亿计的数据计算，项目组针对该情况制定了点云数据优化的方案，对海量数据进行了科学的取舍，在保证单站测量精度不超过5毫米，整体拼接精度不超过1厘米的前提下，大量减少点云数据量，以保证后续工作的高效进行。

　　此次测量工作，除对部分垛口、城楼构件及少数城窑的手工测量是在现场进行外其余测量工作均在计算机中进行，即对测量扫描点云数据进行精确测量。

　　城墙高精度三维数字模型

　　本项目实际扫描郭峪古城墙908.15米，三维扫描总站数约430站，三维点云数据总量约433GB。建立郭峪古城墙现状三维数字模型。三维数字模型可以提供城墙的各项现状数据，为城墙的保护修复提供客观精确的实测数据，三维数字模型还可作为该城墙的数字副本保存，为以后的研究建立准确、永久的数字档案。

　　基于三维数字模型的信息提取

　　在得到城墙三维数字模型的基础上，依据不同的需求将其最大化利用才是测绘的重点。信息提取全部在计算机中完成，借助计算机软件轻松获得郭峪城墙的各项尺寸，通过不同位置及方向的剖切、映射，生成剖面图、平面图和立面图。

　　数据分析

　　三维数字模型能进行客观准确的数据分析，这是以往测绘方法所不能及的。高度密集的点云数据，可充分表现城墙的细节特征，为对象数据分析的可靠性提供了保证。如城墙细微的沉降、开裂、酥碱、风化及鼓胀变形等城墙常见病害的分析，在条件允许的情况下还可对病害较为严重的古城墙进行跟踪监测，及时发现问题，第一时间对其进行科学保护。

　　基于三维激光扫描技术的精密测量是采用多种测量手段相互配合的测量方法，相比传统的测量方法具有精确度高、测量速度快、测量成果全面等优势，突破了过去的单点测量模式。以计算机软件对被测物体高精度三维模型量测的方式完成测量工作，极大地降低了现场测量的难度。在完成测绘任务的同时，获取了完整的三维数字模型，可为以后的研究保护提供永久的数据资料，三维模型还可用于对象的虚拟展示、向广大公众传播文化遗产知识。随着技术的不断完善，三维扫描技术在古建筑测绘中的应用将有着广阔的前景。