GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護案例

古建筑蔓延了歷史文脈，是人類文明的載體。隨著社會經濟的發展，古建

筑的價值逐漸受到人們的度重視。對于古建筑， 必須采取積的手段

進行保護與利用。保護與利用的過程需要對古建筑進行維護、整理與修

復，同時也需要保護或恢復歷 史街區的空間格局與尺度。重大歷史建筑

在修復前都需要進行的測量，以取得較完備的科學記錄檔案，為古建

筑的規 劃保護和修復提供手資料，同時也是研究古建筑史和建筑理

論的重要資料。

項目系統介紹

一、現狀分析 
目前階段，認識古建筑和研究古建筑的普遍途徑是手工測繪以及普通測量。我傳統的古建筑測繪方法一般為人工實量法。 
由于這一方法費時費工、效率不，難以保證觀測結果的精度，而且成本也不安全，人們越來越體會到使用這一方法的 
不便性。近年來隨著空間定位技術、計算機技術和地理信息系統的應用，古建筑測繪技術已進入數字化時代，已發展成為 
以 3S 集成為特征的新技術應用。 
二、存在問題 
為了減小測量誤差，提測量結果的精度，需要了解誤差的主要來源及產生的原因，以便采取相應的措施。古建筑測繪中 
存在的問題主要有： 
1. 建筑物現狀問題：由于長期承受荷載、基礎的不均勻沉降、材質的不同還有外界自然因素的影響等，構件發生不同程度 
的收縮、彎曲等多種變形以及其他部位的損壞。 
2. 總尺寸與分尺寸不統一，即各個組成部分分別測出的尺寸之和與整體測出的尺寸不符。 
相對于這兩大問題，解決的方法和應當遵循的原則如下： 
1. 對結構有重大影響的變形及破壞應按照原有狀態測繪，選擇若干個同類構件進行測量和比較，找出其中量大的數值作 
為這類構件的統一尺寸； 
2. 對結構沒有重大影響的變形及損壞應依照現狀測繪，以真實地表達古建筑的存在狀態，保持其歷史感和時間感； 
3. 次要尺寸服從主要尺寸 , 分尺寸服從于總尺寸 , 少數服從多數； 
4. 后換構件應服從于原始構件。應找出建筑物各個部分的原始構件加以測量。從而定出統一尺寸。而不能以某一構件的某 
個尺寸數量多，或某個構件保存得完好，來決定統一尺寸。 

拓普康三維激光掃描技術勢

在古建筑研究的活動中，用戶需要關于研究對象的完整性數據。三維激光

掃描技術是一項通過密度的掃描點來記錄和表達被測古建筑形狀的技

術，三維點云是原始的測量數據，被測建筑物的幾何空間信息都被包含

其中。如何利用點云，如何在點云的基礎上通過軟件來提取空間信息，決

定了三維激光掃描技術在古建筑保護及維護行業內的應用方式和成果形

式。

從對點云的應用方式來看，可分為檔案記錄型應用、尺寸量測型應用、三

維可視化型應用和逆向重建應用。從終的提交成果形式可分為二維圖件

形式（各種平、立、剖面圖，等值線圖）和三維圖件形式（三維密度點

云數據、三維 CAD 模型、三角圖片格網等）。利用三維激光掃描技術進

行古建的保護，目前主要集中在檔案記錄、三維可視化及虛擬三維重建幾

個方面。

1. 非接觸式測量

運用免棱鏡測量的工作模式，工作人員無需攀爬到樓頂，也可以獲取確

的數據，既能保護文物的安全，也能保障工作人員的安全。

2. 三維可視化

由于三維激光掃描技術是以較的密度連續采集等間隔的點，而且每個點

具有三維坐標、點所處被測古建筑表面材質反射度和顏色信息，因此我

們可以直接通過將這些記錄被測古建筑的點在同一窗口內顯示的方法來瀏

覽和觀察被測古建筑的外觀和內部特征。由于三維激光掃描儀采集數據快

速，被測古建筑可在的時間間隔內被多次測量，方便用戶分析其變

形情況，并在關鍵部位標注符號，標明該部位的實時狀態。

3. 虛擬三維重建

被測古建筑的點云集合可以看做是立體模型。點云模型可以構建三維數字

模型，以作虛擬現實和模擬修復等應用，亦可制成各類工程圖、結構圖、

切面圖等。自此實現室內外空間模型的*一體化和模型建構的*

可逆操作，有助于古建研究以及其他利用其在各自領域作更深的拓展

研究。全面的古建筑模型信息可以幫助研究人員更加深入地探究古建筑

的結構、藝術價值、營造方法。

應用案例 — *故居（使用 GLS-1500）

*故居始建于 1892 年，2002 年 6 月 25 日，務yuan確定張聞

天故居為全重點文物保護單位。2003 年 1 月，被上海市政府命名

為“上海市愛主義教育基地”。

為了更好的保護*故居，我們進行了建筑物掃描、建筑物點云數據處

理與編輯、可視化平臺下的模型展示及虛擬三維重建的工作。

圖 1 數據采集方案示意圖

2. 點云拼接

外業測量根據上段所述 3 個測站按順序進行了測量。本項目采用了 GLS-

1500 *的一體化集成操作模式，并從連接點測量、測站 / 后視測量和

導入坐標值測量法等三種測量方法中， 選擇了連接點測量方法進行

測試。連接點測量方法測量法簡單、且易操作，適用于測量范圍在

330 米之內的區域。

外業測量過程中，待測對象和標靶是分開進行掃描和測量的。我們可以首

先選擇測量標靶的命令，照標靶位置，記錄點位。之后，在同一個測站

位置上，我們選定測量區域，測量距離與間距，掃描儀即可自動開始

掃描。在內業處理過程中，將測站一、測站二及測站三的點云數據、圖像

數據及連接點數據（標靶）輸入到后處理軟件，并將不同測站下的相同連

接點（標靶）一一對應，可將點云數據拼接到同一坐標系下了。

拼接完成后的點云效果如下圖：圖 3 整體建筑點云效果圖 4 局部建筑點云

1. 數據采集方案

經過現場勘察分析，我們共布置了 3 個測站，并將測站和測站使用標靶

連接點方法進行了拼接。測站、標靶分布如下圖所示：

3. 建模流程

三維模型建立的流程一般由特征線提取和模型構建兩部分組成。

A、特征線提取

特征線提取可采用多種方法。如自動提取剖面、等值線，根據電云自動擬

合線段、圓柱、圓錐、多邊形等基本幾何形狀等。

本項目成果包括單線結構圖，提取時采用了先繪制三維結構線，再統一投

影到同一二維平面的方法，以保證結構線的平面精度。本項目提取所采用

的使用的軟件為 Topcon 公司自行研制開發的后處理軟件及 AutoDesk

公司的 AutoCAD 軟件。

B、三維模型和虛擬現實的創建

基于線劃圖的三維模型創建方法的主要思想是由線成面。將 CAD 線劃圖

導入 3DMax 軟件中。基于點云每個方向構件的線劃

圖間都具有確的位置關系，將前后左右上下六個立面圖一同導入后，可

合成完整的建筑結構圖（圖 9）。

在這個完整的線框圖上，可根據建筑的結構，逐一搭建實體模型，比如

3DMax 里的基礎幾何模型 BOX，PLANE 等（圖

10）。

逐步細化模型直至整體建筑模型大體形態基本成型（圖 11）。

之后將基礎模型進行紋理貼圖，并對整個場景的燈光進行設置（圖

12）。

在 3DMAX 里面將模型貼圖整理完成，并且檢查無誤后。將整個場景導

入三維虛擬平臺，進行平臺測試。在平臺中添加天空、景深效果，以及對

一些材質做細化處理（如反射等）以求更好的表現效果。然后進行

UI（用戶界面）設計，添加天氣系統等，使虛擬現實場景具備漫游設置、

測量距離等功能。

使用三維激光掃描儀比較常規測量儀器對建筑物進行測量與成圖工作，它

更具有掃描速度快、實時性、精度、主動性、全數字特征等特點，

可以大地降低成本，節約時間，而且使用方便，能夠實現與設計圖紙進

行分析比較，以確定其形變誤差大小等。三維激光掃描測量技術已經在測

繪領域有廣泛的應用。激光掃描技術在大建筑物數字程模型的

的實時獲取方面已經表現出大的勢，成為攝影測量與遙感技術的一個

重要補充。現在在大型建筑的變形監測工程、環境檢測和城市建設方面等

均有成功的應用實例。

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