古建筑測(cè)繪是對(duì)歷史建筑現(xiàn)狀記錄的方法之一，通過對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，并以一系列圖紙予以表達(dá)。在傳統(tǒng)古建測(cè)繪中，利用尺子和水平管等工具量取建筑物平面、立面或剖面特征點(diǎn)的位置，以及相應(yīng)特征線的距離，進(jìn)而利用古建筑設(shè)計(jì)和現(xiàn)狀的幾何關(guān)系繪出線性特征圖。在圖紙繪制的過程中，根據(jù)建筑物的建造規(guī)律，對(duì)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和歸納，而對(duì)于建筑物的一些實(shí)際偏差如變形、缺損、加工差異等均被人為加以糾正。這樣的測(cè)繪被稱為“法式測(cè)繪”，即按照營(yíng)造法式繪制理想狀態(tài)的建筑圖。然而，法式測(cè)繪對(duì)于大量民間地方歷史建筑遺存很難適用。隨著科技的發(fā)展，古建筑精密測(cè)繪技術(shù)不斷進(jìn)步，GPS、全站儀、攝影測(cè)量和測(cè)量機(jī)器人等相繼加入，改進(jìn)并豐富了測(cè)量手段，而三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，無疑把古建筑精密測(cè)繪從單點(diǎn)或多點(diǎn)定位測(cè)量，提高到了密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的新高度。

　　三維激光掃描技術(shù)，是上世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)。它是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS空間定位技術(shù)后的又一次技術(shù)突破。近幾年來，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域。它可以在不接觸對(duì)象本身的前提條件下，快速地獲取物體表面包含外觀尺寸、形態(tài)特征、顏色紋理等信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　基于三維激光掃描技術(shù)的測(cè)繪，是采用動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)全局定位和控制點(diǎn)設(shè)定，全站儀整體誤差控制、三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量及手工補(bǔ)充測(cè)量為一體的古建筑精密測(cè)量技術(shù)。

　　郭峪古城位于山西省晉城市陽城縣東21公里的北留鎮(zhèn)北郭峪村中，城墻始建于明崇禎八年，周長(zhǎng)約1400米，呈不規(guī)則形，南北向?qū)?，東西向窄，城內(nèi)面積17.9萬平方米，墻體平均高度約12米。開設(shè)東、北、西城門三座，水門一座，城墻內(nèi)側(cè)開鑿有三層六百余眼窯洞，因而也被形象地稱為“蜂窩城墻”，現(xiàn)存城墻遺跡約1000米。2012年6月，山西省考古研究所聯(lián)合山西省古代建筑保護(hù)研究所對(duì)該城墻進(jìn)行了測(cè)繪，其成果將為郭峪城墻的保護(hù)修復(fù)設(shè)計(jì)方案提供實(shí)測(cè)依據(jù)。

　　由于城墻整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且大部分被民房遮擋，周邊測(cè)量環(huán)境較差，項(xiàng)目組采用了古建筑精密測(cè)量技術(shù)。

　　從圖1可以看出，根據(jù)測(cè)量對(duì)象不同，各種測(cè)量手段的精確度及工作效率都不相同。同時(shí)還可以看出三維激光掃描在對(duì)大多數(shù)對(duì)象測(cè)量中，相對(duì)而言最穩(wěn)定，精確度及工作效率都相對(duì)較好。而對(duì)于極個(gè)別測(cè)量對(duì)象，傳統(tǒng)手工測(cè)量或全站儀測(cè)量在精確度及工作效率上優(yōu)于三維激光掃描。

　　動(dòng)態(tài)GPS全局定位

　　郭峪城墻整體呈相對(duì)復(fù)雜的不規(guī)則形，為精確定位城墻的方位，項(xiàng)目組采用動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)，圍繞城墻走向建立了上百個(gè)基于西安80坐標(biāo)系的測(cè)量控制點(diǎn)，形成測(cè)量控制網(wǎng)，為全站儀提供相互通視的參照控制點(diǎn)。

　　全站儀誤差控制

　　三維激光掃描儀單站掃描的精度可以達(dá)到2~3毫米，而多站數(shù)據(jù)拼接的累計(jì)誤差很難控制，累計(jì)誤差會(huì)隨著測(cè)站的增加不斷擴(kuò)大，單一使用平面標(biāo)靶或球形標(biāo)靶不能得到很好的拼接精度，全站儀單點(diǎn)測(cè)量的精度優(yōu)于三維激光掃描。在此次測(cè)繪項(xiàng)目中我們采用全站儀對(duì)每個(gè)掃描站點(diǎn)的標(biāo)靶進(jìn)行一一定位，將其精確地統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，起到全局誤差控制的作用，進(jìn)而提高了多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)拼接的精度。

　　多站三維掃描

　　從多方面考慮，本項(xiàng)目采用了天寶FX相位式三維激光掃描儀，它對(duì)郭峪城墻掃描的實(shí)際有效半徑約為30米，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)平均點(diǎn)距為0.3~0.5毫米，不僅能從掃描距離上滿足項(xiàng)目需要，密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行墻體病害分析。由于三維激光掃描儀是基于可見光原理的特性，掃描過程中所見即所得，不具備穿透性，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象需采取多站掃描，多次測(cè)站數(shù)據(jù)互補(bǔ)的方式，盡可能掃描到相對(duì)完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　計(jì)算機(jī)軟件測(cè)量

　　將現(xiàn)場(chǎng)三維掃描的數(shù)據(jù)在點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理、去噪、抽稀、多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接、融合、除冗等一系列優(yōu)化處理后，得到可進(jìn)行測(cè)量剖切的城墻三維數(shù)字模型。本項(xiàng)目數(shù)據(jù)測(cè)量的部分采用了AutoCAD軟件平臺(tái)的點(diǎn)云測(cè)量插件Pointools，在該軟件中只需點(diǎn)選任意兩點(diǎn)即可獲得其多項(xiàng)尺寸，對(duì)城樓的木質(zhì)構(gòu)件測(cè)量比手工測(cè)量更顯方便快捷，如梁架的厚度、立柱的直徑等尺寸都可在瞬間得到。

　　手工測(cè)量

　　手工測(cè)量在某些空間狹小的區(qū)域，有一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)于不存在架設(shè)三維掃描基站的區(qū)域，項(xiàng)目組采用手工測(cè)量的方式來完成，作為整體測(cè)繪的補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

　　測(cè)量精度與點(diǎn)云分辨率的取舍

　　三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較為龐大，現(xiàn)有的民用計(jì)算機(jī)硬件不能快速完成數(shù)以億計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算，項(xiàng)目組針對(duì)該情況制定了點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化的方案，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了科學(xué)的取舍，在保證單站測(cè)量精度不超過5毫米，整體拼接精度不超過1厘米的前提下，大量減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，以保證后續(xù)工作的高效進(jìn)行。

　　此次測(cè)量工作，除對(duì)部分垛口、城樓構(gòu)件及少數(shù)城窯的手工測(cè)量是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行外其余測(cè)量工作均在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，即對(duì)測(cè)量掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量。

　　城墻高精度三維數(shù)字模型

　　本項(xiàng)目實(shí)際掃描郭峪古城墻908.15米，三維掃描總站數(shù)約430站，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量約433GB。建立郭峪古城墻現(xiàn)狀三維數(shù)字模型。三維數(shù)字模型可以提供城墻的各項(xiàng)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，為城墻的保護(hù)修復(fù)提供客觀精確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，三維數(shù)字模型還可作為該城墻的數(shù)字副本保存，為以后的研究建立準(zhǔn)確、永久的數(shù)字檔案。

　　基于三維數(shù)字模型的信息提取

　　在得到城墻三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同的需求將其最大化利用才是測(cè)繪的重點(diǎn)。信息提取全部在計(jì)算機(jī)中完成，借助計(jì)算機(jī)軟件輕松獲得郭峪城墻的各項(xiàng)尺寸，通過不同位置及方向的剖切、映射，生成剖面圖、平面圖和立面圖。

　　數(shù)據(jù)分析

　　三維數(shù)字模型能進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，這是以往測(cè)繪方法所不能及的。高度密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可充分表現(xiàn)城墻的細(xì)節(jié)特征，為對(duì)象數(shù)據(jù)分析的可靠性提供了保證。如城墻細(xì)微的沉降、開裂、酥堿、風(fēng)化及鼓脹變形等城墻常見病害的分析，在條件允許的情況下還可對(duì)病害較為嚴(yán)重的古城墻進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行科學(xué)保護(hù)。

　　基于三維激光掃描技術(shù)的精密測(cè)量是采用多種測(cè)量手段相互配合的測(cè)量方法，相比傳統(tǒng)的測(cè)量方法具有精確度高、測(cè)量速度快、測(cè)量成果全面等優(yōu)勢(shì)，突破了過去的單點(diǎn)測(cè)量模式。以計(jì)算機(jī)軟件對(duì)被測(cè)物體高精度三維模型量測(cè)的方式完成測(cè)量工作，極大地降低了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的難度。在完成測(cè)繪任務(wù)的同時(shí)，獲取了完整的三維數(shù)字模型，可為以后的研究保護(hù)提供永久的數(shù)據(jù)資料，三維模型還可用于對(duì)象的虛擬展示、向廣大公眾傳播文化遺產(chǎn)知識(shí)。隨著技術(shù)的不斷完善，三維掃描技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用將有著廣闊的前景。