姜振国
山西达志古建筑保护设计研究院有限公司 山西省太原市 030000
摘要：将三维激光扫描技术在文物建筑测绘当中使用的技术方向总结出来，使用以前的测量学中控制测量以及误差推广的有关理论，将三维激光扫描技术当中的坐标变换和点云比较弱的位置及精准度问题进行具体研究。
关键词：文物建筑测绘; 三维激光扫描; 坐标转换; 最弱点
三维激光扫描技术实际上是一种用三维激光扫描技术以及扫描信息处理技术作为中心的信息收集以及处理技术。三维激光扫描技术让文物建筑测绘区域所需要的快速、隔离、较高密度、数字化等信息收集的要求得以实现，进而快速被大范围的建筑类高等学校以及文物保护部门所使用。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描类似于全速旋转的全站仪系统，按照事先设定的步进距进行扫描。步进过程中，通过相位或脉冲式测距方式进行测距，再通过接收的回光强度对每个扫描“点”赋予明暗的灰度属性。若仪器内装有CCD相机，则可以对扫描对象的颜色信息进行同时采集与扫描。
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图1为三维激光扫描原理，如图所示，任意一点P在扫描坐标系当中的测站坐标都可用下列公式进行表示：
X
p=Scos mcos n；
Y
p-Scos msin n； 公式（1）
Z
p=Ssin m；
三维激光扫描技术当中，所采用的激光器通常分为两种：①气体激光器；②半导体激光器。波长范围在400nm-1200nm，颜色为绿色或近红外。
另外，按照测距方式不同，三维激光扫描可以分为两种：①脉冲式扫描；②相位式连续波扫描。
整体扫描方式分为三种：①摆动扫描镜式；②旋转棱镜式；③旋转正多面体式。
2文物建筑测绘当中三维激光扫描技术的核心问题
2.1坐标转换
基本没有扫描主体都无法在某一个测试站点上实现扫描工作，这就需要将不一样测试站点上的扫描信息开展坐标变更，集合到相同的坐标体系当中，被叫做“相对定向”以及“拼接”，一旦要与大地测量的坐标系互相连接，还应该开展信息的“绝对定向”。我国以往建筑独有的构造体系、风格特征以及对此开展文物建筑扫描与测绘工作的目标，在一定程度上对于扫描测站点数量范围之广和扫描方式的多样化发展起到了关键性作用。为了将误差控制住，用以提升信息的精准度，在现实使用当中往往使用以控制测量为基础的单一站点拼接、以控制测量为基础的支导线拼接、以控制测量为基础的后方相交拼接、以控制测量为基础的与导线拼接以及闭合导线拼接相符合的模式。
2.2点云信息的最弱点及其精度分析
依照激光测量距离的原理以及测量角度误差的传播特征，扫描点的位置误差取决于测量距离误差以及测量角度误差，进而单测站点扫描点云的较弱点在扫描范围中距离最远的点。依照测量学当中与导线以及闭合导线相符合的较弱点在导线的中央位置可以知道，以标靶和特征点为基础的自由式叠加拼接方法中，坐标改变后点云的较弱点在叠加路线的中央扫描站点之上。基于控制测量的拼接方式中，坐标转换后点云较弱点位置与所采用的控制测量形式有关。依据误差传播的有关规律，通常而言，控制测量的较弱点是在距离高等级控制站点的一体化最远点位置。因此扫描点云的较弱点是在以控制测量的较弱点作为坐标变换基础站点的扫描测量站上。作为坐标转换基础的控制测量，常用的形式有GPS 网、边角网、导线网、前( 后) 方交会等。其中 GPS 网、边角网以及前 方后方交叉等需要与网的形式以及大小相结合开展精准度分析以及估计。
3三维激光扫描技术在文物建筑测绘实践中的应用
3.1文物建筑信息的采集
由于文物建筑受到其他物体的遮挡以及扫描不到区域等多个方面的影响，在对文物建筑开展点云信息收集的时候，就要求开展多个观测站点，开展不同位置的扫描。在测量之前需要对测量站点和测量目标的数量以及位置进行选择与确立，观测站点的数量以及位置可以与建筑的外观、大小、建筑难易程度以及信息要求相结合进行调整，测量目标的数量以及位置就需要按照“为另一个观测站点服务”的观念，尽可能实现“多站化的统筹兼顾”，也就是尽可能将更多的观测站点都可以实现建筑目标信息的收集，如此一来可以大幅度减少以后点云信息处理的错误。以此为基础，在对钟楼进行测绘的时候，观测站数量设为 9 个，测量目标数量也设为9 个。等到观测站以及测量目标确定之后，结合文物建筑的特点、附近环境以及采光作用调整对扫描设备的精准度以及曝光度进行正确的调整，然后就可以开展测量信息的收集工作。
3.2点云噪声处理及简化
由于在开展文物建筑扫描工作的时候，外面环境可能会对钟楼造成一些阻挡以及遮掩，致使点云信息中产生噪声信息，为了以后信息建立模型的精确性，就需要合理处理点云信息，尽可能去掉噪声信息。点云信息经过噪声处理之后很容易在建筑表面出现漏洞，从而产生巨大的信息损失。而且激光会穿过窗户等一些透明物体，在文物建筑上产生冗余信息。这些信息会占据计算机中的存储量，降低处理信息的效果。所以，工作人员需要对点云信息开展分割以及滤波，将冗余信息处理干净。利用点云信息处理有杆专用软件中的去噪声点功能将差别大的噪声点处理掉，并找出相应的失真点。通过三维扫描测量获得的点云信息很密集，1m2范围内就拥有几十万个信息点。所以，在保证精准度的前提下，需要精准点云信息。
3.3基于点云的拼接
由于在工程中测站的不一样会导致点云信息不在同一个标靶上，这就需要使用以点云为核心的拼接方式，通过同一个点云来对文物建筑实现拼接，所以在不一样站点对文物建筑开展扫描的时候，需要具备扫描的公共地点，在对点云开展拼接工作时，为了可以尽快并且正确的指导相同点，从而将点云的拼接精准度提高。以点云为核心的拼接流程中，阻碍条件不是自主增加的，而是经过人工在左边和右边两个拼接窗口当中选择同一个扫描区域之中的同一个站点来开展制约条件的增加，进而实现拼接工作，以点云为核心的拼接，其同一个点数不可以低于 4 个，而且同一个点不可以太过紧密，应该尽可能地分散开来，从点云拼接的精准度来说，点云拼接的精准度与其扫描过程中设置的分辨率、扫描远近以及选择同一个基点有关，拼接误差值通常在 6mm 以下，可以实现限差的需求。
4结束语
总而言之，随着扫描流程中拼接次数的逐渐增加，点云的错误概率也会随之增加，在没有办法提升扫描设备精准度的前提下将扫描点云精准度提高的最科学方式就是提升拼接点的精准度。对于如今技术的三维激光扫描设施没有办法达到建筑变形测量的毫米级别精准度。为了讲误差控制住，保证扫描精准度，三维激光扫描测绘与以前的测绘相同，测绘之前需要先对技术设计进行准确地评价。
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