三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用.pdf

上海建设科技2011 年第 4 期 － 47 － 1安国寺大雄殿的结构及现状 安国寺位于唐代立德坊东南邻新潭 今洛阳市 老城西南隅敦志街 。 始建于唐代咸通年间860 年 － 873 年 ， 明洪武初1370 重修， 清嘉庆十八年 1813 改称钟楼寺， 后又称安国寺。 现在安国寺仅存 天王殿台基和残破大雄殿， 其他建筑全被拆除或改 建。 安国寺是河南省文物保护单位。 安国寺大雄殿为单檐歇山式建筑， 面宽 5 间， 进 深 3 间。 灰瓦覆顶， 飞檐翘角。 檐柱柱头有斜杀 明代 手法， 最晚为清初作法 。 前檐斗拱为四铺作单下昂 计心造， 栌斗少存斗幽， 昂头较扁薄， 昂嘴为琴面昂 明代手法 ， 昂头下刻出假华头子， 耍头为龙头。 补 间铺作， 当心间 1 朵， 次、 梢间各 1 朵。 侧檐斗拱亦为 四铺作单下昂计心造， 每间补间铺作 1 朵， 栌斗少存 斗幽， 昂头已被锯掉， 但昂头下刻出假华头子仍有保 留， 耍头为蚂蚱头。 转角铺作假昂， 耍头亦为龙头。 各 朵铺作间砖砌拱眼壁。 梁架结构为八架椽屋。 第 1 缝 山面梁架为六椽袱 清为采步金 ， 前后牵 清为单 步梁 ， 依次为 转角老角梁后尾→栌斗→攀间枋→ 皿板→小栌斗→承托牵梁头。 六椽袱梁身由 3 根 丁袱梁 清为顺爬梁 承托， 中间 1 根丁袱梁上立蜀 柱， 蜀柱柱头设攀间铺作， 支撑六椽袱梁身中部， 攀 间铺作栌斗下设攀间枋， 攀间枋与蜀柱相连部位置 角背， 梁下施 3 朵攀间铺作均为单拱， 间距 1． 552 m、 1． 366 m。 第 2 缝次间梁架为四椽袱前后乳袱 双步 梁 ， 脊下设攀间铺作， 大叉手顶端与攀间铺作华 拱相连， 形成蜀柱、 叉手与攀间铺作承托脊博， 四椽 袱梁身中部下立冲天柱支撑柱头置角背。 由于建国 初期人们对建筑的认识不足， 盲目扩大殿的内部空 间， 将中柱由乳袱等高部位砍断， 中柱仅残存一小 段， 但彩绘还清晰可见。 中柱做法为北方地区少见。 第 3 缝当心间梁架结构同第 2 缝梁架， 但前中金柱 的位置却有变化， 采用移柱造手法， 前中金柱前移至 下金位置， 由此梁架前面原来的四椽袱前后乳袱改 为四椽袱前牵后乳袱， 这种只移前柱的做法也实 为少见， 具有典型的地方特色。 袱身呈椭圆形， 脊 和三椽袱与枋之间使用一斗三升的攀间铺作。 殿内金柱采用移柱造， 柱下采用覆盆式莲花柱 础、 古镜柱础， 从柱础雕刻的型制上看出各时代对大 殿进行过大修。 莲花覆盆式柱础最早可以追溯到唐 代。 五代、 金、 元、 明都对其进行过大修， 从清代最后 1 次大修时所保留下的构件上看， 基本采用了明、 清 时期的手法， 早期的手法已无从寻觅。 安国寺大雄殿周围的违法建筑拥挤， 加之大雄 殿遇雨季排水不畅， 地基已下陷， 直接造成屋面 4 个 角角科斗拱发生偏移。 屋面防雨层受损， 受雨水浸 泡， 致使屋面瓦面脱落， 内部木构件糟朽， 由雨水造 成大雄殿受损的占 80 。 南侧正立面屋面保存稍 好， 屋檐由于小连檐糟朽严重， 造成瓦口木基本无法 承托屋檐的华头筒瓦和垂头， 加之雨水风雪的冲刷， 造成屋檐檐口瓦面 10的坍塌。 北立面屋面有 60 坍塌， 山面有 40坍塌。 坍塌集中体现在出檐处， 同 时屋面上还长满了杂草和小树。 南侧正立面仔角梁 断裂变形， 翼角坍塌; 偏东侧墙面严重倾斜， 屋面墙 体下滑。 屋顶吻兽全部丢失， 套兽仅余 1 个。 七架梁 断裂， 中金檩劈裂， 攀间铺作 50 损坏， 均使小斗不 毛晨佳吕晓洁 上海测源数码科技有限公司 周 立李 明 洛阳市文物工作队 施工技术 摘要国家重要古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作，以取得较完备的科学记 录档案。通过采用先进的三维激光扫描技术对洛阳安国寺大雄殿进行测绘，体现了三维激光扫描 技术在古建筑测绘和修缮中的优势。为古建筑保护规划和修复提供第 1 手资料。 关键词古建筑测绘三维激光扫描点云数据古建筑现状图 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用 上海建设科技 － 48 － 2011 年第 4 期 堪重负劈裂。 整栋建筑摇摇欲坠， 已成危房， 对安国 寺大雄殿的测绘、 修缮工作急需进行。 通过三维激光扫描仪对安国寺大雄殿进行扫描 和古建筑现状图纸绘制， 全面地反映了建筑结构的 尺寸， 为维修设计图纸提供了准确可靠的数据和资 料， 以指导后期的修缮工作更加科学可行。 安国寺大 雄殿修缮设计方案已通过上级部门审批， 修缮工程 亦进入洛阳市财政采购招标程序。 2三维激光扫描技术 2． 1扫描仪的工作原理 三维激光扫描仪的工作原理是通过发射激光光 束到旋转式镜头的中心， 并被旋转式镜头反射， 一旦 接触到物体， 光束立刻被反射回扫描仪， 通过激光的 位移数据被测量， 从而反映出激光与物体之间的距 离。 最后用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描 仪的水平旋转角度， 以获得每一个点的 X、 Y、 Z 的坐 标值。 利用三维激光扫描系统能够在几分钟内获取 如古建筑、 古遗址等详尽、 高精度的三维立体影像数 据， 并可广泛用于城市规划、 隧道、 铁路、 体育场馆以 及异型空间结构、 民宅等检测。 图 1 是三维激光扫描 仪的工作原理图。 用三维激光扫描仪扫描目标体， 可获得大量的 点数据， 称之为 “点云” 。 扫描所得到的点云是由带有 三维坐标的点所组成的， 即把不同的点云资料拼接 成为立体的点云图形。 点云是一种类影像的向量数 据， 再经模型化处理， 可以获得很高的点位精度。 可 以直接在点云中进行空间测量， 也可以运用点云数 据建立三维模型并对其进行深入地计算或分析。 三维激光扫描系统获得的原始三维点云数据为 单色， 每 1 个点均包含有空间坐标信息 X、 Y、 Z， 再 通过使用高清数码相机， 每个点就可以包含 X、 Y、 Z、 R、 G、 B 等 6 位信息， 进一步完善了被测物体数字 化信息存档的数据结构。 2． 2扫描仪的应用 三维激光扫描技术又称 “实景复制技术” ， 通过 现场扫描操作直接将各种大型、 复杂、 不规则的、 标 准或非标准等实体三维数据完整地采集到电脑中， 进而快速重构出目标的三维模型及线、 面、 体、 空间 等各种制图数据。 同时， 采集的三维激光点云数据还 可进行各种后处理工作， 如 测绘、 计量、 分析、 仿真、 模拟、 展示、 监测、 虚拟现实等， 它是各种正向工程工 具的对称应用工具， 即逆向工程工具。 2． 3在古建筑研究中的优势 传统的古建筑测绘方法是以直尺、 角尺、 垂球等 工具直接量取建筑物及构件尺寸，获取的最终资料 是 “图样”即图纸 和一些文字记录。 一般测量通面 宽、 梁架高度等较大尺寸时用卷尺， 小尺寸使用小钢 尺， 较为灵活。 对于建筑屋面上的重要控制尺寸 ， 使 用手工方法就显得力不从心， 尤其是遇到庑殿、 歇山 顶及重檐建筑时更是如此。 近景摄影测量用于古建筑测绘已有较长的历 史， 其优点在于能精密量测不规则表面的实体， 并能 立体再现建筑物， 如测绘建筑物的平面、 立面、 剖面、 等值线等。 但此方法工序较繁杂， 精度较低， 所获得 的数据也不能直接满足古建筑三维重构的要求。 三维激光扫描技术在解决一些疑难问题时具有 极大优势， 如对于古建筑中的碑刻、 雕刻 石雕、 砖 雕、 木雕、 竹雕 、 文字、 彩画及剥落、 风化、 毁损、 残缺 等状况。 中国古建筑往往包含很多曲线形式， 如屋面 曲线、 屋脊曲线、 山花轮廓， 以及券门券洞等。 这些尺 度较大的曲线形式， 在扫描回来的点云中可以方便 地勾画出来， 迅速地给出所有需要的尺寸。 在遇到这 一类型的对象时， 过去国内大部分依靠近景摄影测 量， 结合人工对所测对象外观尺寸进行勾图， 但测量 外观尺寸的误差较大， 大大降低了所测数据的真实 性和准确性。 三维激光扫描采用非接触式的测量方式， 具有 快速、 精确、 多方位、“所见即所得” 等特点， 为古建筑 测绘提供了具有革命性的方法。 三维激光影像扫描 能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云 数据， 将所测量的对象进行1∶ 1的实景复制三维成 型， 由传统的实地野外手工测量转变为室内计算机 对点云数据的高精度测量。 通过建筑设计使用的 Auto CAD 软件进行测绘， 并绘制建筑物的平、 立、 剖 建筑设计三视图。 三维激光非接触式的测量方式， 避 免了人工直接接触对象造成的文物损坏、 测量精度 施工技术 上海建设科技2011 年第 4 期 － 49 － 不高、 测绘人员人身安全等不利因素。 3数据处理和现状绘图 3． 1现场情况 安国寺大雄殿精密测绘工作历时 3 d， 室内外共 设立扫描站点 28 处。 图 2 是大雄殿扫描现场的照 片， 使用的主要测量设备为全球著名测量设备制造 商生产的 FARO Photon － 120 大空间高精度三维激 光扫描仪， 使用的摄影工具为专业级单反数码相 机。 3． 2点云数据处理 点云数据采集完成后， 从扫描仪中将数据导入 到电脑， 然后运用 FARO Scene 软件对各个站点进 行点云拼接。 通过 FARO Scene 软件完成点云数据 拼接后还能获取精准的数据拼接报告。 本次扫描后 数据拼接的平均误差值为 1． 5 mm， 偏差仅 0． 9 mm。 由此可以确定本次数据采集位置设立精准、 数据分 辨率高、 数据库完整， 成为后期点云数据处理的依据 及可靠保障。 3． 3用点云做成的莲花柱础曲面三维模型 为了将大雄殿内唯一具有唐代建筑特征的柱础 以真实的方式保留， 且作为其它柱础修复的依据， 采 用了局部精细扫描的方式和专业逆向工程处理软件 加以实现， 从而建立了高精度、 现状、 可编辑的三维 数字化模型。 柱础模型上的雕花尺寸可任意测量 见 图 3 ， 同时根据该数字模型可结合现有加工设备或 加工工艺完全制作出复制品， 大大方便了后期修缮 工作， 这也是传统测量方法不能做到的。 3． 4现状绘图 绘图过程中使用的点云插件即可在 Auto CAD 平台上绘制整个建筑物的所有二维现状图。 绘图 是先将点云导入， 根据专业软件的应用逐步绘制 各个平面图 总平面、 大殿平面、 横剖面、 纵剖面、 梁架仰视图等， 并绘制了细部的大样图， 如瓦当、 耍头等。 1 完全和点云贴合的横剖现状图。 图 4 是按 照点云绘制好的横剖面图， 它真实地反应了建筑物 保存现状。 从点云现状图中可以看到， 左侧出檐处檐 椽、 飞椽都已严重变形， 七架梁断裂， 正脊变形。 该图 清晰准确地表现了建筑物的结构， 是建筑物保存现 状的完整体现。 与传统的测量方法相比， 不仅绘图准 确快捷， 同时避免了在测量过程中对建筑物的 2 次 破坏。 2 斗拱测绘。 安国寺大雄殿南侧正立面斗拱 共有 12 朵 柱头科 4 朵、 平身科 6 朵、 角科 2 朵。 所 有斗拱的耍头都是木刻龙头， 斗拱耍头以中轴线为 对称轴， 左右对称排列。 图 5 是安国寺南侧正立面斗 拱耍头大样图。 所有龙头都是按照实际尺寸绘制， 可 测量。 尤其是角科斗拱耍头， 利用软件使用技巧， 在 难以测量的条件下依然成功地绘制出来。 3 安国寺西立面博风板大样图 见图 6 。 点云 施工技术 上海建设科技 － 50 － 2011 年第 4 期 表 2基坑监测数据 上接第 46 页 清晰地反应了博风板砖雕的现状， 并与现场拍的照 片做比对， 可以在计算机上快速准确地画出该博风 板的大样图。 该大样图按照点云绘制可以与原始点 云数据完全贴合。 所有博风砖的雕花尺寸都是真实 的， 可任意测量。 与传统的测量方法比较， 大大地缩 短了测绘时间， 并体现了三维激光扫描的准确快捷， 为以后的修缮提供了最好的现状资料。 4结语 在古建筑测绘中， 三维激光扫描技术代替传统 测绘方式，具有高精度、 高效率、 多方位、 多元化等优 点， 文物建筑在测量过程中的损坏情况可降至为零， 且采用非接触式测量的方式， 人员自身的安全也得 到了保障。 在古建筑修缮中， 现状测绘图能大大减少 人力和物力的损耗， 避免了设计人员因现场勘测条 件限制所造成的疏忽， 减少了修缮方案重复设计的 次数。 该项技术的成功应用为后期建立古建筑管理 及查询系统奠定了基础。 参考文献 [1]李诫． 营造法式[M]． 北京 中国建筑工业出版社， 2006． [2]刘敦桢． 中国古代建筑史[M]． 北京 中国建筑工业出版 社， 2009． [3]王其亨． 古建筑测绘[M]． 北京 中国建筑工业出版社， 2008． [4 ]罗哲文． 中国古代建筑 [M]． 上海 上海古籍出版社， 2001． [5]王炎松， 谢飞． 古建筑保护对于三维激光扫描点云数据 处理软件系统的用户需求 [J] ． 华中建筑， 20084 130 － 132． [6]余明， 丁辰， 过静． 激光三维扫描技术用于古建筑测 绘的研究[J]． 测绘科学， 200410 69 － 70． 收搞日期 2011 － 05 － 31 5施工监测 通过对施工过程中基坑及周边环境的监测，掌 握并分析施工中基坑的变形情况，从而为合理、 优 化组织施工提供依据。 监测项目的报警值及实际值 见表 2 。 6结语 1 本工程基坑面积 8 316 m2，开挖深度为 13 ～ 14 m。 采用地下连续墙 二墙合一 及 3 道钢筋 混凝土支撑能较好地维持基坑稳定和控制墙体位 移，并采用边桁架结合局部对撑的布置方式。 采用 钢支撑， 造价低， 对迅速建立支撑体系有利; 但钢支 撑的强度、 刚度及整体性方面均不及混凝土支撑， 对处于市中心的基坑及坑外老式住宅和地下管线 的安全具有一定风险。 2 根据支撑形式及现场实际情况， 合理选择 土方开挖方案。 局部挖土采用 “分段、 分块、 盆式、 限 时” 的方法， 较好地减少了基坑变形。 3 第 3 道支撑底至坑底设计净空只有 2． 7 m 和 2 m，给基坑挖土带来较大的难度。 如将该道支撑 标高适当抬高，则可改善挖土作业条件，从而有效 缩短工期。 4 施工过程以设计、 施工方案为依据，监测报 告为指导，为信息化施工提供数据，从而真正做到 了信息化施工。 5 通过采取一系列有效的技术措施，保证了 基坑、 老式居民住宅、 地下管线的绝对安全，顺利完 成深基坑的施工， 获得了社会效益和经济效益的双 赢。 收搞日期 2011 － 04 － 28 櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌櫌 王君 施工技术 监测项目 墙顶位移 /mm 墙体、 土体位移 /mm 墙外、 周边管线位移 /mm 立柱差异沉降 /mm 支撑轴力 /kN 坑外地下水位 /mm 实际最大值 6 31． 32 － 17． 2 7． 1 第 1 道 6 531 第 2、 3 道 9 324． 4 680 设计报警值 30 40 30 20 第 1 道 7 000 第 2、 3道 12 000 500