三维激光扫描技术在建筑中的应用

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1 前言

　　建筑学是研究建筑物及其环境的学科，它旨在总结人类建筑活动的经验，以指导建筑设计创作，构造某种体形环境等等。建筑学服务的对象不仅是自然的人，而且也是社会的人；不仅要满足人们物质上的要求，而且要满足他们精神上的要求。因此社会生产力和生产关系的变化，政治、文化、宗教、生活习惯等等的变化，都密切影响着建筑技术和艺术。

　　建筑是人们用石材，木材等建筑材料搭建的一种供人居住和使用的物体，如住宅，桥梁，寺庙等等。广义上来讲，园林也是建筑的一部分。有人说过：上帝一次性给出了木头，石头，泥土和茅草，其他的一切都是人的劳作……这就是建筑。建筑是凝固的音乐，建筑是一部石头史书。

　　我国的建筑在解放以前呈现出中西交汇、风格多样的特点。新中国成立以后，中国建筑进入新的历史时期，大规模、有计划的国民经济建设，推动了建筑业的蓬勃发展。中国现代建筑在数量、规模、类型、地区分布及现代化水平上都突破近代的局限，展现出崭新的姿态。这一时期的中国建筑经历了以局部应用大屋顶为主要特征的复古风格时期、以国庆工程10大建筑为代表的社会主义建筑新风格时期、集现代设计方法和民族意蕴为一体的广州风格时期，自上世纪80年代以来，中国建筑逐步趋向开放、兼容，中国现代建筑开始向多元化发展。

　　尽管如此，历史遗留下的古建筑仍是我们的历史遗产。虽然他们的建筑风貌没有现在的时尚、完美，作为传统的建筑文化艺术，对于现在和将来都具有伟大的历史纪念意义。因此，对于过去的具有纪念意义历史古建筑，各地政府及主管部门都在积极保护和重建，相关部门也在不断地研究重建和恢复技术。

　　2 建筑物恢复与重建的技术需求

　　我国的古建筑都是有着很悠久的历史，是我国古代人民的智慧结晶。如举世闻名的故宫、天坛、平遥古城、苏州园林等。他们经受了历史的演变，也经受了战争的洗礼，如今有些已经到了修缮的阶段，有些需要重建。

　　建筑物的恢复与重建是建筑领域中一项主要技术和研究课题。过去由于种种原因被破坏的那些具有特殊历史意义的古建筑已经永远地消失在历史长河里。随着科学技术的发展与应用，特别是数字信息与三维模型技术的出现，开创了建筑恢复与重建的新局面。

　　所谓建筑物的恢复即是将已被破坏的建筑物恢复以往的面貌，使其保持其原来的风姿。重建则是对于被破坏的建筑物进行重新建设，但不一定保留其原来的风格。无论是恢复和重建都要依据已有的资料科学地建设。否则，就很难达到恢复和重建的效果与目标。因此保留具有历史意义的建筑物原貌资料是今后重建和修缮的主要依据。

　　传统的资料都是一些历史照片，只能目视判断古建筑的轮廓、形状，其真正的数据资料如形状大小等不能确定，给修复和重建工作带来了很大的困难，甚至使得一些具有历史意义的建筑物不能修复和重建。

　　新的时期新的技术给建筑物的修复带来了新的技术。

　　3 三维激光扫描技术的应用

　　三维激光扫描技术是进入二十世纪以来发展起来的技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，因此被称为实景复制技术。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，可以用于获取高精度高分辨率的数字物体表面模型。近年来随着其技术的多领域应用，极大地引起了建筑行业的广泛关注。

　　三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，能够完整并高精度地重建扫描实物数据。该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于技术上突破了传统的单点测量方法，其最大特点就是精度高、速度快、逼近原形，是目前国内外测绘领域研究的热点之一。三维激光扫描技术目前已在众多领域得到了广泛应用，尤其在建筑设计以及恢复重建方面，它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到计算机系统中，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，它所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，它是各种正向工程的对称应用即逆向工程的应用工具。

　　三维激光扫描技术不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向三维建模及重构。众所周知传统测绘技术主要是单点精确测量，但用它做建模工作时就爱莫能助了，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几万个，多则几百万以上，这样才能把目标完整的搬到电脑中来，所以，用现代高精度传感技术做辅助就解决了这个问题，三维激光扫描技术就是这类全自动高精度立体扫描的技术。

　　如下图所示就是三维激光扫描技术在实际工作中获取实物的立体数据的过程。首先在实物附近架设三维扫描仪，对目标物进行三维扫描，将扫描的数据点云进行内业处理，建立物体表面模型（DSM），最后经着色形成高精度的三维实物数据模型。长期保存在数据介质中，供以后建设、设计和恢复重建时参考应用。

　　4 结论

　　三维激光扫描技术为快速、精确三维重建提供了强有力的手段，圆满解决了本工程的技术难题，为施工单位争取了时间，尤其对于景区文物类的实体对象，因其是非接触式测量，所以不会对文物构成任何的伤害；此外，对游客的游览参观也几乎没什么影响。在以后类似的工程项目当中，应该积极大力推广三维激光扫描技术的应用。

　　建筑工业化体系的运用，加速了大量性建筑的发展。电子计算机技术进入建筑设计领域所引起的设计方法论的研究势必深刻地影响建筑学的发展。社会的发展，人口的密集，城市化进程的加快，产业结构的变化，使城市规划和环境问题十分突出，成为当代建筑师、规划师和园林设计师面临的共同课题，同时也为建筑学开拓出一个前所未有的广阔天地。

　　三维激光扫描技术能在不触及文物的条件下进行测绘研究，从而减少保护干预中的不必要破坏，提高复原古貌的准确性，在未来古建筑和其他遗址的复原研究中，有着广泛的应用前景。