古建筑是我国历史文化的重要载体，加强古建筑的保护、管理和合理利用，对传承和弘扬中华民族优秀文化传统、增强民族凝聚力具有重要意义。随着数字化测绘时代的到来，古建筑保护正逐渐完成从传统保护方式[1]到数字化保护方式[2]的转变。在古建筑构造复杂等多种因素的制约下，如何采用新兴的空间信息技术实现古建筑的数字化保护已成为众多学者研究的热点与重点。

张洪吉等[3]提出综合运用地面和手持式三维激光扫描仪获取古建筑完整的点云数据的方案；张序等[4]提出了一种首级三维控制网点和标靶控制网点相结合的三维激光扫描方案；谢锦鹏等[5]提出了一种优化测量程序的开平碉楼的三维激光点云获取方法。上述方案均通过三维激光扫描技术获取了古建筑表面完整的点云数据，但未涉及存在严重遮挡古建筑的空间信息留存。陆建华等[6]在项目实施过程中采用搭建脚手架的方式采集古建筑完整的点云数据，但该方法不适用于未封闭保护的古建筑。因此，本文借鉴李德仁院士团队将多元技术融合应用于敦煌莫高窟的数字化“克隆”思想，在不影响古建筑现有功能的基础上，对综合应用多元化技术完成存在结构严重遮挡的古建筑的空间信息留存的方法进行了研究。

多源异构点云融合技术

古建筑完整的空间信息包括三维激光扫描仪“触手可及”的部分和扫描“盲区”部分。为完成古建筑的空间信息留存，做好古建筑的保护与传承，本文提出了一种综合应用三维激光扫描技术[7,8]和低空航空摄影测量技术[9,10]进行构造复杂的古建筑空间信息留存的方法：针对复杂古建筑多测站点云误差累计与传递的问题，引入多视角全局优化配准理论[11]，并采用先整体后局部的三维激光扫描策略；针对扫描“盲区”，借鉴贴近近景摄影测量方法，采用低空航空摄影测量技术进行数据补采，并借助光束法平差理论，实现扫描 “盲区”点云生产，并完成“盲区”点云与扫描主体点云坐标系统的统一；最后通过人机交互式手段实现多源异构点云数据融合，完成构造复杂的古建筑的空间信息留存。

多源异构点云融合技术流程

实验分析

瑞光塔为七级八面砖木结构阁楼式。如果仅采用三维激光扫描技术，必存在塔外平座外侧及腰檐主体区域的扫描“盲区”。因瑞光塔为盘门三景之一，水路结合特色的体现地和旅游的热点区域，不宜以搭建脚手架的方式进行“盲区”点云数据采集。本文以瑞光塔为例，对提出的古建筑空间信息留存方法的有效性和可行性进行验证

多源数据采集及处理

首先，利用Trimble TX6三维激光扫描仪进行塔外整体控制扫描，扫描时采用塔外四周分层布设测站的扫描方式。采用多视角全局优化配准算法完成整体控制扫描点云的高精度配准，并将其作为各层点云的配准基准。在局部扫描时，采用逐层扫描、逐层质检的方式完整各层塔体内外的三维激光扫描。

局部扫描测量示意图

将配准后的控制扫描点云导入Trimble Realworks内业软件中，并利用该软件将各测站点云数据配准至基准点云坐标系中，并完成点云赋色、去噪、简化等工作。

瑞光塔主体扫描点云示意图

利用多旋翼无人机搭载SONY全画幅单反相机进行扫描“盲区”的近距离、正视影像采集。采集时，通过设置云台角度，每层均采集3圈影像，分别为下视正对下一层的腰檐顶面、平视正对腰檐上部斗拱及平座外侧，上视采集腰檐顶部数据，并保证采集影像数据航向重叠率不低于80%，旁向重叠率不低于60%。在外部整体控制点云成果中，每层选取均匀分布的、不低于6个特征点位的三维坐标作为像控点参与影像数据的平差计算，生成扫描“盲区”的点云数据。

无人机扫描

经处理后的2类点云数据具有统一的坐标系统，将点云成果再次导入Trimble Realworks软件中完成多源异构点云数据的融合，并人机交互式删除重叠构造的点云数据，并完成点云简化。

多源异构点云融合后成果

多源异构融合点云精度分析

多源点云数据融合质量

采用最邻近点搜索算法计算多源点云数据重叠部分的同名点，计算其距离中误差[11,12]，并将其作为多源点云数据融合质量的定量评价指标。

计算公式

经过分析、计算，得到融合点云平均精度为2.5mm。经计算得出处理后的瑞光塔整体点云密度为2.4mm。点云融合成果的距离中误差约为1倍点云密度，因此，本文提出的古建筑空间信息留存技术取得了较为理想的成果。

古建筑整体信息留存成果质量

采用全站仪实测瑞光塔的特征点位（均匀分布）坐标，并从点云成果中提取相应的点位信息，分别计算实测点位及点云特征点位的间距，统计分析特征点间距中误差，并将其作为瑞光塔整体信息留存质量的评价指标。

在瑞光塔四周均匀布设4个相邻点通视的控制点，采用0.5"级全站仪实测56个特征点位坐标信息。分析、计算时，均选取均匀分布的28条特征线，求取的单层塔体及整塔成果的特征点间距中误差分别如表1、表2所示。

表1、表2

由表1、表2可知，单层塔体点云成果特征点间距中误差均不大于7.9mm，整塔点云成果特征点间距中误差为7.8mm，均满足《古建筑测绘规范》一等精度要求。

结论

（1）本文将三维激光扫描技术、低空航空摄影测量技术引入构造复杂古建筑的空间信息留存中，突破了单一技术手段无法获取古建筑完整信息的局限性，并避免了常规测绘手段对古建筑本体及现有功能形成的影响。

（2）通过实验表明，通过融合应用多元化的采集技术，采用多视角全局优化配准算法、光束法平差等多种算法及多款专业软件，形成的多源异构点云融合技术，在留存数据精度及古建筑空间信息留存成果方面均满足古建筑保护的需求，具有一定的推广和应用价值。

参考文献

[1]石力文,侯妙乐,解琳琳,等.面向古木建筑构件不同尺寸留取精度需求的高效技术研究[J].地理信息世界,2018,25(5):1-7.

[2] 张方. 基于点云与参数模型的古建筑大木结构正逆向建模[D].北京建筑大学,2018.

[3] 张洪吉,罗勇,裴尼松,吕熠,廖紫骅,陈青松.基于三维激光扫描的古建筑文物三维数字化保护研究——以四川乐山文庙大成殿为例[J].测绘与空间地理信息,2016,39(07):42-44.

[4] 张序,李兆堃,袁铭,扬威.苏州虎丘塔三维数字化表达研究与应用[J].测绘通报,2012(12):51-53+66.

[5] 谢锦鹏,陈颖彪,千庆兰,韩富状.三维激光扫描技术在开平碉楼保护中的应用研究[J].广州大学学报(自然科学版),2015,14(01):76-81.

[6] 陆建华,吕志才.基于多时相点云数据的大型古建筑形变监测研究——以苏州虎丘塔为例[J].工程勘察,2016,44(07):53-58.

[7]余培永,刘昭华.三维激光扫描支持下的文化遗产建模应用分析[J].测绘通报,2018(08):145-149.

[8] 徐亚军,谢海荣,袁小军,车红磊.三维激光扫描技术在异型建筑物施工轴线检测中的应用[J].测绘通报,2019(08):162-164.

[9] 卞敏,徐亮,骆元鹏,周晓波,赵慧峰,杨化超.空地一体精细化三维模型构建方法[J].测绘通报,2019(07):83-86.

[10] 徐光禹,杜宁,王莉,裴书玉,李丰旭,罗辑.多源数据融合技术在古建筑三维重建中的应用[J].测绘通报,2019(10):77-82.

[11] 李彩林,郭宝云,季铮.多视角三维激光点云全局优化整体配准算法[J].测绘学报,2015,44(02):183-189.

[12] 周朗明,郑顺义,黄荣永.旋转平台点云数据的配准方法[J].测绘学报,2013,42(01):73-79.

文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/cuQp2tUmfThKkYYJLvIxkg