三維激光掃描技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

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1 前言

　　建筑學(xué)是研究建筑物及其環(huán)境的學(xué)科，它旨在總結(jié)人類建筑活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，以指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)創(chuàng)作，構(gòu)造某種體形環(huán)境等等。建筑學(xué)服務(wù)的對(duì)象不僅是自然的人，而且也是社會(huì)的人；不僅要滿足人們物質(zhì)上的要求，而且要滿足他們精神上的要求。因此社會(huì)生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的變化，政治、文化、宗教、生活習(xí)慣等等的變化，都密切影響著建筑技術(shù)和藝術(shù)。

　　建筑是人們用石材，木材等建筑材料搭建的一種供人居住和使用的物體，如住宅，橋梁，寺廟等等。廣義上來(lái)講，園林也是建筑的一部分。有人說(shuō)過(guò)：上帝一次性給出了木頭，石頭，泥土和茅草，其他的一切都是人的勞作……這就是建筑。建筑是凝固的音樂(lè)，建筑是一部石頭史書(shū)。

　　我國(guó)的建筑在解放以前呈現(xiàn)出中西交匯、風(fēng)格多樣的特點(diǎn)。新中國(guó)成立以后，中國(guó)建筑進(jìn)入新的歷史時(shí)期，大規(guī)模、有計(jì)劃的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，推動(dòng)了建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展。中國(guó)現(xiàn)代建筑在數(shù)量、規(guī)模、類型、地區(qū)分布及現(xiàn)代化水平上都突破近代的局限，展現(xiàn)出嶄新的姿態(tài)。這一時(shí)期的中國(guó)建筑經(jīng)歷了以局部應(yīng)用大屋頂為主要特征的復(fù)古風(fēng)格時(shí)期、以國(guó)慶工程10大建筑為代表的社會(huì)主義建筑新風(fēng)格時(shí)期、集現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和民族意蘊(yùn)為一體的廣州風(fēng)格時(shí)期，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)建筑逐步趨向開(kāi)放、兼容，中國(guó)現(xiàn)代建筑開(kāi)始向多元化發(fā)展。

　　盡管如此，歷史遺留下的古建筑仍是我們的歷史遺產(chǎn)。雖然他們的建筑風(fēng)貌沒(méi)有現(xiàn)在的時(shí)尚、完美，作為傳統(tǒng)的建筑文化藝術(shù)，對(duì)于現(xiàn)在和將來(lái)都具有偉大的歷史紀(jì)念意義。因此，對(duì)于過(guò)去的具有紀(jì)念意義歷史古建筑，各地政府及主管部門(mén)都在積極保護(hù)和重建，相關(guān)部門(mén)也在不斷地研究重建和恢復(fù)技術(shù)。

　　2 建筑物恢復(fù)與重建的技術(shù)需求

　　我國(guó)的古建筑都是有著很悠久的歷史，是我國(guó)古代人民的智慧結(jié)晶。如舉世聞名的故宮、天壇、平遙古城、蘇州園林等。他們經(jīng)受了歷史的演變，也經(jīng)受了戰(zhàn)爭(zhēng)的洗禮，如今有些已經(jīng)到了修繕的階段，有些需要重建。

　　建筑物的恢復(fù)與重建是建筑領(lǐng)域中一項(xiàng)主要技術(shù)和研究課題。過(guò)去由于種種原因被破壞的那些具有特殊歷史意義的古建筑已經(jīng)永遠(yuǎn)地消失在歷史長(zhǎng)河里。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，特別是數(shù)字信息與三維模型技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了建筑恢復(fù)與重建的新局面。

　　所謂建筑物的恢復(fù)即是將已被破壞的建筑物恢復(fù)以往的面貌，使其保持其原來(lái)的風(fēng)姿。重建則是對(duì)于被破壞的建筑物進(jìn)行重新建設(shè)，但不一定保留其原來(lái)的風(fēng)格。無(wú)論是恢復(fù)和重建都要依據(jù)已有的資料科學(xué)地建設(shè)。否則，就很難達(dá)到恢復(fù)和重建的效果與目標(biāo)。因此保留具有歷史意義的建筑物原貌資料是今后重建和修繕的主要依據(jù)。

　　傳統(tǒng)的資料都是一些歷史照片，只能目視判斷古建筑的輪廓、形狀，其真正的數(shù)據(jù)資料如形狀大小等不能確定，給修復(fù)和重建工作帶來(lái)了很大的困難，甚至使得一些具有歷史意義的建筑物不能修復(fù)和重建。

　　新的時(shí)期新的技術(shù)給建筑物的修復(fù)帶來(lái)了新的技術(shù)。

　　3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

　　三維激光掃描技術(shù)是進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái)發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字物體表面模型。近年來(lái)隨著其技術(shù)的多領(lǐng)域應(yīng)用，極大地引起了建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注。

　　三維激光掃描技術(shù)是一門(mén)新興的測(cè)繪技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無(wú)需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。由于技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，其最大特點(diǎn)就是精度高、速度快、逼近原形，是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。三維激光掃描技術(shù)目前已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在建筑設(shè)計(jì)以及恢復(fù)重建方面，它可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)，同時(shí)，它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作如：測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、…等，它是各種正向工程的對(duì)稱應(yīng)用即逆向工程的應(yīng)用工具。

　　三維激光掃描技術(shù)不同于單純的測(cè)繪技術(shù)，它主要面向高精度逆向三維建模及重構(gòu)。眾所周知傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)主要是單點(diǎn)精確測(cè)量，但用它做建模工作時(shí)就愛(ài)莫能助了，因?yàn)槊枋瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)的完整屬性需要大量的測(cè)繪點(diǎn)采集，少則幾萬(wàn)個(gè)，多則幾百萬(wàn)以上，這樣才能把目標(biāo)完整的搬到電腦中來(lái)，所以，用現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)做輔助就解決了這個(gè)問(wèn)題，三維激光掃描技術(shù)就是這類全自動(dòng)高精度立體掃描的技術(shù)。

　　如下圖所示就是三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際工作中獲取實(shí)物的立體數(shù)據(jù)的過(guò)程。首先在實(shí)物附近架設(shè)三維掃描儀，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維掃描，將掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，建立物體表面模型（DSM），最后經(jīng)著色形成高精度的三維實(shí)物數(shù)據(jù)模型。長(zhǎng)期保存在數(shù)據(jù)介質(zhì)中，供以后建設(shè)、設(shè)計(jì)和恢復(fù)重建時(shí)參考應(yīng)用。

　　4 結(jié)論

　　三維激光掃描技術(shù)為快速、精確三維重建提供了強(qiáng)有力的手段，圓滿解決了本工程的技術(shù)難題，為施工單位爭(zhēng)取了時(shí)間，尤其對(duì)于景區(qū)文物類的實(shí)體對(duì)象，因其是非接觸式測(cè)量，所以不會(huì)對(duì)文物構(gòu)成任何的傷害；此外，對(duì)游客的游覽參觀也幾乎沒(méi)什么影響。在以后類似的工程項(xiàng)目當(dāng)中，應(yīng)該積極大力推廣三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

　　建筑工業(yè)化體系的運(yùn)用，加速了大量性建筑的發(fā)展。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域所引起的設(shè)計(jì)方法論的研究勢(shì)必深刻地影響建筑學(xué)的發(fā)展。社會(huì)的發(fā)展，人口的密集，城市化進(jìn)程的加快，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，使城市規(guī)劃和環(huán)境問(wèn)題十分突出，成為當(dāng)代建筑師、規(guī)劃師和園林設(shè)計(jì)師面臨的共同課題，同時(shí)也為建筑學(xué)開(kāi)拓出一個(gè)前所未有的廣闊天地。

　　三維激光掃描技術(shù)能在不觸及文物的條件下進(jìn)行測(cè)繪研究，從而減少保護(hù)干預(yù)中的不必要破壞，提高復(fù)原古貌的準(zhǔn)確性，在未來(lái)古建筑和其他遺址的復(fù)原研究中，有著廣泛的應(yīng)用前景。