GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護(hù)案例 建筑檢測(cè)儀

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產(chǎn)品廠地：深圳市

更新時(shí)間：2022-10-11

簡(jiǎn)要描述：GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護(hù)案例
BIM 作為目前內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域受追捧的應(yīng)用技術(shù)，正受到越來(lái)越多人的關(guān)注。BIM 技術(shù)存在諸多難點(diǎn)，本文結(jié)合拓普康三維激光掃描技術(shù)提供一些更的解決方案，希望能為相關(guān)從業(yè)者提供一些幫助。

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GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護(hù)案例

古建筑蔓延了歷史文脈，是人類(lèi)文明的載體。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，古建

筑的價(jià)值逐漸受到人們的度重視。對(duì)于古建筑， 必須采取積的手段

進(jìn)行保護(hù)與利用。保護(hù)與利用的過(guò)程需要對(duì)古建筑進(jìn)行維護(hù)、整理與修

復(fù)，同時(shí)也需要保護(hù)或恢復(fù)歷 史街區(qū)的空間格局與尺度。重大歷史建筑

在修復(fù)前都需要進(jìn)行的測(cè)量，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建

筑的規(guī) 劃保護(hù)和修復(fù)提供手資料，同時(shí)也是研究古建筑史和建筑理

論的重要資料。

項(xiàng)目系統(tǒng)介紹

一、現(xiàn)狀分析 
目前階段，認(rèn)識(shí)古建筑和研究古建筑的普遍途徑是手工測(cè)繪以及普通測(cè)量。我傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪方法一般為人工實(shí)量法。 
由于這一方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率不，難以保證觀測(cè)結(jié)果的精度，而且成本也不安全，人們?cè)絹?lái)越體會(huì)到使用這一方法的 
不便性。近年來(lái)隨著空間定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，古建筑測(cè)繪技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，已發(fā)展成為 
以 3S 集成為特征的新技術(shù)應(yīng)用。 
二、存在問(wèn)題 
為了減小測(cè)量誤差，提測(cè)量結(jié)果的精度，需要了解誤差的主要來(lái)源及產(chǎn)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施。古建筑測(cè)繪中 
存在的問(wèn)題主要有： 
1. 建筑物現(xiàn)狀問(wèn)題：由于長(zhǎng)期承受荷載、基礎(chǔ)的不均勻沉降、材質(zhì)的不同還有外界自然因素的影響等，構(gòu)件發(fā)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(tǒng)一，即各個(gè)組成部分分別測(cè)出的尺寸之和與整體測(cè)出的尺寸不符。 
相對(duì)于這兩大問(wèn)題，解決的方法和應(yīng)當(dāng)遵循的原則如下： 
1. 對(duì)結(jié)構(gòu)有重大影響的變形及破壞應(yīng)按照原有狀態(tài)測(cè)繪，選擇若干個(gè)同類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量和比較，找出其中量大的數(shù)值作 
為這類(lèi)構(gòu)件的統(tǒng)一尺寸； 
2. 對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有重大影響的變形及損壞應(yīng)依照現(xiàn)狀測(cè)繪，以真實(shí)地表達(dá)古建筑的存在狀態(tài)，保持其歷史感和時(shí)間感； 
3. 次要尺寸服從主要尺寸 , 分尺寸服從于總尺寸 , 少數(shù)服從多數(shù)； 
4. 后換構(gòu)件應(yīng)服從于原始構(gòu)件。應(yīng)找出建筑物各個(gè)部分的原始構(gòu)件加以測(cè)量。從而定出統(tǒng)一尺寸。而不能以某一構(gòu)件的某 
個(gè)尺寸數(shù)量多，或某個(gè)構(gòu)件保存得完好，來(lái)決定統(tǒng)一尺寸。 

拓普康三維激光掃描技術(shù)勢(shì)

在古建筑研究的活動(dòng)中，用戶需要關(guān)于研究對(duì)象的完整性數(shù)據(jù)。三維激光

掃描技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)密度的掃描點(diǎn)來(lái)記錄和表達(dá)被測(cè)古建筑形狀的技

術(shù)，三維點(diǎn)云是原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)建筑物的幾何空間信息都被包含

其中。如何利用點(diǎn)云，如何在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)提取空間信息，決

定了三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)及維護(hù)行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用方式和成果形

式。

從對(duì)點(diǎn)云的應(yīng)用方式來(lái)看，可分為檔案記錄型應(yīng)用、尺寸量測(cè)型應(yīng)用、三

維可視化型應(yīng)用和逆向重建應(yīng)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(diǎn)

云數(shù)據(jù)、三維 CAD 模型、三角圖片格網(wǎng)等）。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)

行古建的保護(hù)，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(gè)方面。

1. 非接觸式測(cè)量

運(yùn)用免棱鏡測(cè)量的工作模式，工作人員無(wú)需攀爬到樓頂，也可以獲取確

的數(shù)據(jù)，既能保護(hù)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(shù)是以較的密度連續(xù)采集等間隔的點(diǎn)，而且每個(gè)點(diǎn)

具有三維坐標(biāo)、點(diǎn)所處被測(cè)古建筑表面材質(zhì)反射度和顏色信息，因此我

們可以直接通過(guò)將這些記錄被測(cè)古建筑的點(diǎn)在同一窗口內(nèi)顯示的方法來(lái)瀏

覽和觀察被測(cè)古建筑的外觀和內(nèi)部特征。由于三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)快

速，被測(cè)古建筑可在的時(shí)間間隔內(nèi)被多次測(cè)量，方便用戶分析其變

形情況，并在關(guān)鍵部位標(biāo)注符號(hào)，標(biāo)明該部位的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3. 虛擬三維重建

被測(cè)古建筑的點(diǎn)云集合可以看做是立體模型。點(diǎn)云模型可以構(gòu)建三維數(shù)字

模型，以作虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類(lèi)工程圖、結(jié)構(gòu)圖、

切面圖等。自此實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空間模型的*一體化和模型建構(gòu)的*

可逆操作，有助于古建研究以及其他利用其在各自領(lǐng)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(jié)構(gòu)、藝術(shù)價(jià)值、營(yíng)造方法。

應(yīng)用案例 — *故居（使用 GLS-1500）

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

天故居為全重點(diǎn)文物保護(hù)單位。2003 年 1 月，被上海市政府命名

為“上海市愛(ài)主義教育基地”。

為了更好的保護(hù)*故居，我們進(jìn)行了建筑物掃描、建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)處

理與編輯、可視化平臺(tái)下的模型展示及虛擬三維重建的工作。

圖 1 數(shù)據(jù)采集方案示意圖

2. 點(diǎn)云拼接

外業(yè)測(cè)量根據(jù)上段所述 3 個(gè)測(cè)站按順序進(jìn)行了測(cè)量。本項(xiàng)目采用了 GLS-

1500 *的一體化集成操作模式，并從連接點(diǎn)測(cè)量、測(cè)站 / 后視測(cè)量和

導(dǎo)入坐標(biāo)值測(cè)量法等三種測(cè)量方法中， 選擇了連接點(diǎn)測(cè)量方法進(jìn)行

測(cè)試。連接點(diǎn)測(cè)量方法測(cè)量法簡(jiǎn)單、且易操作，適用于測(cè)量范圍在

330 米之內(nèi)的區(qū)域。

外業(yè)測(cè)量過(guò)程中，待測(cè)對(duì)象和標(biāo)靶是分開(kāi)進(jìn)行掃描和測(cè)量的。我們可以首

先選擇測(cè)量標(biāo)靶的命令，照標(biāo)靶位置，記錄點(diǎn)位。之后，在同一個(gè)測(cè)站

位置上，我們選定測(cè)量區(qū)域，測(cè)量距離與間距，掃描儀即可自動(dòng)開(kāi)始

掃描。在內(nèi)業(yè)處理過(guò)程中，將測(cè)站一、測(cè)站二及測(cè)站三的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、圖像

數(shù)據(jù)及連接點(diǎn)數(shù)據(jù)（標(biāo)靶）輸入到后處理軟件，并將不同測(cè)站下的相同連

接點(diǎn)（標(biāo)靶）一一對(duì)應(yīng)，可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系下了。

拼接完成后的點(diǎn)云效果如下圖：圖 3 整體建筑點(diǎn)云效果圖 4 局部建筑點(diǎn)云

1. 數(shù)據(jù)采集方案

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，我們共布置了 3 個(gè)測(cè)站，并將測(cè)站和測(cè)站使用標(biāo)靶

連接點(diǎn)方法進(jìn)行了拼接。測(cè)站、標(biāo)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(gòu)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(dòng)提取剖面、等值線，根據(jù)電云自動(dòng)擬

合線段、圓柱、圓錐、多邊形等基本幾何形狀等。

本項(xiàng)目成果包括單線結(jié)構(gòu)圖，提取時(shí)采用了先繪制三維結(jié)構(gòu)線，再統(tǒng)一投

影到同一二維平面的方法，以保證結(jié)構(gòu)線的平面精度。本項(xiàng)目提取所采用

的使用的軟件為 Topcon 公司自行研制開(kāi)發(fā)的后處理軟件及 AutoDesk

公司的 AutoCAD 軟件。

B、三維模型和虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)建

基于線劃圖的三維模型創(chuàng)建方法的主要思想是由線成面。將 CAD 線劃圖

導(dǎo)入 3DMax 軟件中。基于點(diǎn)云每個(gè)方向構(gòu)件的線劃

圖間都具有確的位置關(guān)系，將前后左右上下六個(gè)立面圖一同導(dǎo)入后，可

合成完整的建筑結(jié)構(gòu)圖（圖 9）。

在這個(gè)完整的線框圖上，可根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)，逐一搭建實(shí)體模型，比如

3DMax 里的基礎(chǔ)幾何模型 BOX，PLANE 等（圖

10）。

逐步細(xì)化模型直至整體建筑模型大體形態(tài)基本成型（圖 11）。

之后將基礎(chǔ)模型進(jìn)行紋理貼圖，并對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的燈光進(jìn)行設(shè)置（圖

12）。

在 3DMAX 里面將模型貼圖整理完成，并且檢查無(wú)誤后。將整個(gè)場(chǎng)景導(dǎo)

入三維虛擬平臺(tái)，進(jìn)行平臺(tái)測(cè)試。在平臺(tái)中添加天空、景深效果，以及對(duì)

一些材質(zhì)做細(xì)化處理（如反射等）以求更好的表現(xiàn)效果。然后進(jìn)行

UI（用戶界面）設(shè)計(jì)，添加天氣系統(tǒng)等，使虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景具備漫游設(shè)置、

測(cè)量距離等功能。

使用三維激光掃描儀比較常規(guī)測(cè)量?jī)x器對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量與成圖工作，它

更具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性、精度、主動(dòng)性、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，

可以大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)

行分析比較，以確定其形變誤差大小等。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在測(cè)

繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。激光掃描技術(shù)在大建筑物數(shù)字程模型的

的實(shí)時(shí)獲取方面已經(jīng)表現(xiàn)出大的勢(shì)，成為攝影測(cè)量與遙感技術(shù)的一個(gè)

重要補(bǔ)充。現(xiàn)在在大型建筑的變形監(jiān)測(cè)工程、環(huán)境檢測(cè)和城市建設(shè)方面等

均有成功的應(yīng)用實(shí)例。

GLS-2000三維激光掃描儀 文物保護(hù)案例