三維激光掃描技術(shù)在建筑中的應用

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1 前言

　　建筑學是研究建筑物及其環(huán)境的學科，它旨在總結(jié)人類建筑活動的經(jīng)驗，以指導建筑設(shè)計創(chuàng)作，構(gòu)造某種體形環(huán)境等等。建筑學服務的對象不僅是自然的人，而且也是社會的人；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。因此社會生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的變化，政治、文化、宗教、生活習慣等等的變化，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。廣義上來講，園林也是建筑的一部分。有人說過：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，建筑是一部石頭史書。

　　我國的建筑在解放以前呈現(xiàn)出中西交匯、風格多樣的特點。新中國成立以后，中國建筑進入新的歷史時期，大規(guī)模、有計劃的國民經(jīng)濟建設(shè)，推動了建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展。中國現(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)。這一時期的中國建筑經(jīng)歷了以局部應用大屋頂為主要特征的復古風格時期、以國慶工程10大建筑為代表的社會主義建筑新風格時期、集現(xiàn)代設(shè)計方法和民族意蘊為一體的廣州風格時期，自上世紀80年代以來，中國建筑逐步趨向開放、兼容，中國現(xiàn)代建筑開始向多元化發(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)。雖然他們的建筑風貌沒有現(xiàn)在的時尚、完美，作為傳統(tǒng)的建筑文化藝術(shù)，對于現(xiàn)在和將來都具有偉大的歷史紀念意義。因此，對于過去的具有紀念意義歷史古建筑，各地政府及主管部門都在積極保護和重建，相關(guān)部門也在不斷地研究重建和恢復技術(shù)。

　　2 建筑物恢復與重建的技術(shù)需求

　　我國的古建筑都是有著很悠久的歷史，是我國古代人民的智慧結(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。

　　建筑物的恢復與重建是建筑領(lǐng)域中一項主要技術(shù)和研究課題。過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)永遠地消失在歷史長河里。隨著科學技術(shù)的發(fā)展與應用，特別是數(shù)字信息與三維模型技術(shù)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了建筑恢復與重建的新局面。

　　所謂建筑物的恢復即是將已被破壞的建筑物恢復以往的面貌，使其保持其原來的風姿。重建則是對于被破壞的建筑物進行重新建設(shè)，但不一定保留其原來的風格。無論是恢復和重建都要依據(jù)已有的資料科學地建設(shè)。否則，就很難達到恢復和重建的效果與目標。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，給修復和重建工作帶來了很大的困難，甚至使得一些具有歷史意義的建筑物不能修復和重建。

　　新的時期新的技術(shù)給建筑物的修復帶來了新的技術(shù)。

　　3 三維激光掃描技術(shù)的應用

　　三維激光掃描技術(shù)是進入二十世紀以來發(fā)展起來的技術(shù)，是測繪領(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)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢，因此被稱為實景復制技術(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。近年來隨著其技術(shù)的多領(lǐng)域應用，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)是一門新興的測繪技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實物數(shù)據(jù)。該技術(shù)可以真正做到直接從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無需進行任何實物表面處理，其激光點云中的每個三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標的真實數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實可靠。由于技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，其最大特點就是精度高、速度快、逼近原形，是目前國內(nèi)外測繪領(lǐng)域研究的熱點之一。三維激光掃描技術(shù)目前已在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用，尤其在建筑設(shè)計以及恢復重建方面，它可以深入到任何復雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進行掃描操作，并直接將各種大型的、復雜的、不規(guī)則、標準或非標準等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到計算機系統(tǒng)中，進而快速重構(gòu)出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)，同時，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作如：測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實、…等，它是各種正向工程的對稱應用即逆向工程的應用工具。

　　三維激光掃描技術(shù)不同于單純的測繪技術(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)測繪技術(shù)主要是單點精確測量，但用它做建模工作時就愛莫能助了，因為描述目標結(jié)構(gòu)的完整屬性需要大量的測繪點采集，少則幾萬個，多則幾百萬以上，這樣才能把目標完整的搬到電腦中來，所以，用現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)做輔助就解決了這個問題，三維激光掃描技術(shù)就是這類全自動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)在實際工作中獲取實物的立體數(shù)據(jù)的過程。首先在實物附近架設(shè)三維掃描儀，對目標物進行三維掃描，將掃描的數(shù)據(jù)點云進行內(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物數(shù)據(jù)模型。長期保存在數(shù)據(jù)介質(zhì)中，供以后建設(shè)、設(shè)計和恢復重建時參考應用。

　　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，為施工單位爭取了時間，尤其對于景區(qū)文物類的實體對象，因其是非接觸式測量，所以不會對文物構(gòu)成任何的傷害；此外，對游客的游覽參觀也幾乎沒什么影響。在以后類似的工程項目當中，應該積極大力推廣三維激光掃描技術(shù)的應用。

　　建筑工業(yè)化體系的運用，加速了大量性建筑的發(fā)展。電子計算機技術(shù)進入建筑設(shè)計領(lǐng)域所引起的設(shè)計方法論的研究勢必深刻地影響建筑學的發(fā)展。社會的發(fā)展，人口的密集，城市化進程的加快，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，使城市規(guī)劃和環(huán)境問題十分突出，成為當代建筑師、規(guī)劃師和園林設(shè)計師面臨的共同課題，同時也為建筑學開拓出一個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行測繪研究，從而減少保護干預中的不必要破壞，提高復原古貌的準確性，在未來古建筑和其他遺址的復原研究中，有著廣泛的應用前景。