TOPCON古建筑三维测量与维护 —— 张闻天故居

一、 引言

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精确的测量，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第一手资料，同时也是研究古建筑史和建筑理论的重要资料。

二、 现状与问题

2.1  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。

2.2  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，找出其中量最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最多，或某个构件保存得最完好，来决定统一尺寸。 

2.3  三维激光扫描技术在古建筑维护的发展与前景

三维激光扫描技术是自20世纪90年代起兴起的新型测量技术，它集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取的手段与工具，这一技术在国际上处于领先水平，而在国内尚处于起步阶段。中国作为古建筑和文物资源大国，为三维技术在古建筑上的应用提供了广阔的应用空间。根据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑有近30万处，古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大，而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。而目前，使用三维激光扫描仪进行古建筑维护工作已初见成效。

三、 测量原理与方法

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，三维点云是最原始的测量数据，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。从最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。

3.1  档案记录

使用三维激光扫描技术进行古建筑建档，主要是以记录完整扫描的点云数据为主。采用具有三维坐标和真实色彩信息的点云数据记录建筑物，既能快速完成测量任务，并确保多角度测站合并后无扫描死角，又能保证在测量时不必攀爬古建筑物，确保了建筑物不受损害和测量者的安全。

3.2  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，被测古建筑可在指定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。

3.3  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精确模型的完全一体化和模型建构的完全可逆操作，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。

四、 古建筑测量实例 —— 张闻天故居

4.1  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：

图1 数据采集方案示意图

扫描时，逐一在相应测站对相应的区域和标靶进行了扫描。在测站一，进行了360°的故居内部的全景扫描。扫描间隔为1厘米，扫描距离为10米；在测站二，在故居的外部约15米处进行了扫描；在测站三，在故居的左侧进行了扫描。由于GLS-2000内置了高清晰的彩色数码相机，影像数据可在扫描时与点云数据同步取得。

4.2  扫描参数设置

统计各测站数据库的大小与扫描参数如下表所示：

表 1 点云数据大小和扫描仪参数设置

4.3  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-2000特有的一体化集成操作模式，并从连接点测量、测站/后视测量和导入绝对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、精确且易操作，适用于测量范围在350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，指定测量距离与间距，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ScanMaster软件下，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。