本科學生畢業(yè)論文基于三維激光點云數(shù)據(jù)繪制歷史建筑平立剖面圖的應用研究院系名稱：專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：職稱：黑龍江工程學院黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文PAGEIIPAGEIITheGraduationThesisforBachelor'sDegreeResearchontheApplicationofDrawingHistoricalBuildingVerticalandHorizontalSectionsBasedon3DLaserPointCloudData摘要本文研究了基于三維激光點云數(shù)據(jù)繪制歷史建筑平立剖面圖的應用研究。對歷史建筑測繪技術進行了詳細的概述，介紹了傳統(tǒng)的測量方法和現(xiàn)代技術。然后，詳細闡述了三維激光掃描技術在數(shù)據(jù)采集與預處理過程中的應用，以及如何利用這些數(shù)據(jù)進行歷史建筑剖面圖的制作。接著，通過精度分析，對模型建立的準確性進行了深入的研究。研究結果表明，基于點云數(shù)據(jù)的建筑平立剖面圖繪制方法具有較高的精度和效率。對整個研究進行了總結，展望了未來研究的前景和應用潛力。關鍵詞：三維激光；點云數(shù)據(jù)；歷史建筑；剖面圖；精度分析ABSTRACTThisarticleinvestigatestheapplicationresearchofdrawinghistoricalbuildingelevationandprofilemapsbasedon3Dlaserpointclouddata.Adetailedoverviewofsurveyingandmappingtechniquesforhistoricalbuildingswasprovided,introducingtraditionalmeasurementmethodsandmoderntechnologies.Then,theapplicationof3Dlaserscanningtechnologyindataacquisitionandpreprocessingprocesswaselaboratedindetail,aswellashowtousethisdatafortheproductionofhistoricalbuildingprofiles.Subsequently,in-depthresearchwasconductedontheaccuracyofmodelestablishmentthroughprecisionanalysis.Theresearchresultsindicatethatthemethodofdrawingbuildingelevationandprofilemapsbasedonpointclouddatahashighaccuracyandefficiency.Asummaryoftheentirestudywasconducted,andtheprospectsandpotentialapplicationsoffutureresearchwerediscussed.Keywords:3DLaser;PointCloudData;HistoricalBuildings;SectionDiagram;PrecisionAnalysis黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文PAGE3PAGE3目錄TOC\o"1-3"\h\u14145摘要 I11143Abstract II6390第1章緒論 120041.1選題的背景及意義 1223631.2研究現(xiàn)狀 178931.2.1三維激光點云數(shù)據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1181501.2.2三維激光點云數(shù)據(jù)國外研究現(xiàn)狀 212581第2章歷史建筑測繪技術 4289892.1歷史建筑結構特點 44892.2歷史建筑測繪的內(nèi)容和要求 5135022.2.1歷史建筑測繪的主要內(nèi)容 598902.2.2歷史建筑測繪的要求 6181722.3歷史建筑測繪類型 711012.4歷史建筑測繪的主要方法 7122672.5本章小結 81617第3章三維激光掃描技術數(shù)據(jù)采集與預處理過程 10111533.1三維激光掃描技術的特點與優(yōu)勢 10260893.1.1三維激光掃描技術的特點 1036523.1.2三維激光掃描技術與近景攝影測量技術的區(qū)別 10199633.1.3三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的優(yōu)勢 11265443.2數(shù)據(jù)獲取 12180333.2.1現(xiàn)場踏勘 12172153.2.2控制網(wǎng)的布設 13275363.2.3標靶的布設 1363013.2.4建筑物的掃描 15227593.2.5紋理數(shù)據(jù)采集 16218613.3點云數(shù)據(jù)的預處理過程數(shù)據(jù)獲取 17114633.3.1去除噪聲 17289933.3.2點云拼接 18287703.4本章小結 1918435第4章歷史建筑立剖面圖的制作 20209974.1點云模型數(shù)據(jù)制作三維建模的方法 2044774.2點云模型數(shù)據(jù)制作三維建模的過程 20189574.3歷史歷史建筑線性特征的提取 22197474.4歷史建筑立面圖的制作 23185604.5歷史建筑剖面圖的制作 24265584.6本章小結 2514450第5章模型建立的精度分析 26214345.1點位誤差分析 26203885.2測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的點位誤差分析 27206905.3本章小結 275113結論與展望 283510參考文獻 29致謝27130 30PAGE3PAGE3第1章緒論1.1選題的背景及意義建筑平立剖面圖是研究、設計和保護建筑的重要工具，尤其是對于歷史建筑而言，它們是記錄建筑歷史信息、分析建筑結構、指導修繕工作的關鍵依據(jù)。然而，傳統(tǒng)的建筑測繪方法，如手工測量和繪圖，耗時耗力，且精度受限，對于大規(guī)?；驈碗s結構的建筑，其工作量更是巨大。隨著科技的進步，三維激光掃描技術的出現(xiàn)，為建筑測繪帶來了革命性的變化。這種技術能夠快速、精確地獲取大量點云數(shù)據(jù)，極大地提高了數(shù)據(jù)采集的效率和精度，為建筑平立剖面圖的繪制提供了全新的可能。在歷史建筑保護與歸檔領域，點云數(shù)據(jù)的應用尤為重要。這些數(shù)據(jù)能夠捕捉到建筑的細微特征，如雕刻、裝飾和結構細節(jié)，這對于恢復建筑原貌，理解其歷史演變過程有著至關重要的作用。然而，如何高效地利用這些海量數(shù)據(jù)，將其轉化為可用的建筑圖紙，仍是一項挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的處理方法依賴人工操作，包括數(shù)據(jù)預處理、特征提取和圖紙繪制，這在數(shù)據(jù)量大、復雜度高的情況下顯得尤為吃力。為了解決這一問題，本文提出了一種基于三維激光點云數(shù)據(jù)繪制歷史建筑平立剖面圖。這種方法利用先進的計算機視覺和圖像處理技術，從點云數(shù)據(jù)中自動提取關鍵的幾何特征，如墻、窗、門等，然后結合CAD軟件進行快速繪制，顯著減少了人工干預和工作量。這種方法不僅提高了繪制效率，還降低了出錯率，為歷史建筑保護提供了更便捷的途徑。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1三維激光點云數(shù)據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，三維激光點云數(shù)據(jù)在建筑測繪中的應用已初具規(guī)模，尤其是在歷史建筑保護領域。近年來，隨著三維激光掃描設備的國產(chǎn)化進程加速，相關技術的研究和應用也在逐步深入。眾多高校和研究機構，如同濟大學、東南大學以及中國文化遺產(chǎn)研究院等，都在點云數(shù)據(jù)處理和建筑信息模型（BIM）構建方面做出了積極貢獻。研究者們關注點云數(shù)據(jù)的預處理技術，包括點云去噪、分割、配準等，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)的特征提取和建模奠定基礎。其中，基于特征點的配準方法，如SIFT、SURF等，以及基于機器學習的點云分類算法，如隨機森林和深度學習網(wǎng)絡，都在國內(nèi)的研究中得到廣泛應用。這些技術的發(fā)展極大地提升了點云數(shù)據(jù)處理的自動化程度，減輕了人工干預的負擔。對于建筑平立剖面圖的繪制，國內(nèi)研究主要集中在如何優(yōu)化點云數(shù)據(jù)的可視化表示，以及開發(fā)相應的半自動或自動繪圖工具。如使用基于深度學習的語義分割方法，識別出建筑的墻體、門窗等關鍵元素，然后結合CAD軟件進行快速繪制。一些研究團隊還嘗試將計算機視覺與傳統(tǒng)的CAD操作相結合，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)到平立剖面圖的無縫轉換，如利用AutoCAD的CloudWorx插件進行直觀的切片和繪制。也在探索點云數(shù)據(jù)在歷史建筑保護中的新應用，如歷史建筑的三維重建與虛擬現(xiàn)實展示，以及基于點云的建筑病害檢測和修復設計。這些研究不僅提升了歷史建筑測繪的精度和效率，也為建筑保護提供了更加直觀和精確的依據(jù)。北京故宮是全國重點文物保護單位，是世界文化遺產(chǎn)的重要保護對象，近年來針對北京故宮博物館開展了一系列古建筑數(shù)字化建模項目，例如北京建筑工程學院對故宮太合殿的大木結構進行了三維建模，并對古建筑進行了立面可視化和三維地形掃描。河北省基礎地理信息中心和廣西桂能信息工程有限公司北京分公司合作，制作了“數(shù)字長城”虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，其中利用了三維激光掃描技術制作出了精度高、尺寸比例大、真實感極強的山海關三維長城模型。清華大學城市規(guī)劃設計研究院兩次利用三維激光掃描儀，對圓明園九州景區(qū)中的碧瀾橋殘余構件進行了掃描，然后通過計算機虛擬構件功能，研究得出碧瀾橋殘留構件的組合復原方案，并取得了理想效果，從而為文物古跡復原，做出了重要的嘗試。清華大學文化遺產(chǎn)保護研究所對山西陵川縣西溪二仙廟的部分建筑以及北京的佛光寺東大殿進行了三維掃描，利用AutoCAD繪制出了梁架平面、剖面圖，并與現(xiàn)狀點云作對比，檢測此兩處建筑形變，從而得出量化的殘損變形評估然而，盡管國內(nèi)在三維激光點云數(shù)據(jù)處理和應用方面取得了一定的成果，但仍存在一些挑戰(zhàn)，如復雜環(huán)境下的點云數(shù)據(jù)處理、建筑物內(nèi)部長期變化的監(jiān)測，以及點云數(shù)據(jù)的精確配準與融合等。此外，將這些技術快速推廣到實際的歷史建筑保護工作中，還需解決數(shù)據(jù)標準化、軟件易用性以及與現(xiàn)有測繪體系的融合問題。因此，國內(nèi)在基于點云數(shù)據(jù)的建筑平立剖面圖繪制研究方面，仍有廣闊的探索空間和持續(xù)的創(chuàng)新需求。1.2.2三維激光點云數(shù)據(jù)國外研究現(xiàn)狀在國際范圍內(nèi)，三維激光點云數(shù)據(jù)的使用在建筑測繪領域已經(jīng)相當成熟，特別是在歐洲和北美，許多研究機構和企業(yè)已經(jīng)將其廣泛應用于建筑平立剖面圖的繪制。國外的研究更傾向于技術創(chuàng)新和理論深化，不斷探索點云數(shù)據(jù)處理的新方法和新應用。在點云數(shù)據(jù)預處理方面投入了大量精力，發(fā)展了一系列先進的算法，如基于光流法的點云去噪、使用概率圖模型的點云分割和基于多視圖幾何的點云配準。這些技術顯著提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率，為后續(xù)的分析和建模工作打下了堅實的基礎。例如，瑞士聯(lián)邦材料科學與技術研究所（Empa）的研究人員利用深度學習技術，開發(fā)了能夠自動識別和分割點云中不同建筑元素的算法，大大簡化了數(shù)據(jù)處理流程。在建筑平立剖面圖的繪制方面，不僅關注算法的開發(fā)，還特別重視用戶體驗和軟件實用性。一些研究團隊如Trimble和Rhinoceros等，已經(jīng)將點云數(shù)據(jù)處理和建模功能集成到他們的專業(yè)軟件中，如SketchUp和Rhino，使得設計師可以直接在這些軟件中處理點云數(shù)據(jù)，繪制出高質(zhì)量的建筑圖紙。此外，國外的學者也在研究如何利用增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）技術，將點云數(shù)據(jù)與平立剖面圖結合，為建筑師提供更直觀的三維工作環(huán)境。國外的研究還擴展到了更廣泛的領域，如城市遺產(chǎn)的三維重建、歷史建筑的保護規(guī)劃，以及建筑性能的點云分析。例如，英國劍橋大學的研究人員使用點云數(shù)據(jù)研究歷史建筑的熱性能，通過分析建筑內(nèi)外部的溫度差異，為節(jié)能改造提供科學依據(jù)。法國的科研團隊則利用點云技術，結合歷史資料，實現(xiàn)了對古羅馬城市遺址的高精度三維重建。美國的CYRA公司和法國的MENSL公司率先將激光掃描技術應用到測繪領域，帶動了測繪領域對三維激光掃描技術多方面研究和應用的熱潮。美國斯坦福大學、華盛頓大學與Cyberware公司合作，利用三維激光掃描儀和高分辨率的彩色圖像完成了“數(shù)字化米開朗基羅”項目。英國自然歷史博物館利用三維激光掃描技術，對文物進行了掃描，并將彩色數(shù)字模型裝入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，建立虛擬博物館。H.Sternberg等利用三維激光掃描技術對漢堡市政大廳內(nèi)有著悠久歷史的Kaisersaal和GroberFestsaal兩個大廳進行了掃描，并利用點云數(shù)據(jù)建立模型，為建筑物的保護提供了第一手資料然而，盡管國外在點云數(shù)據(jù)處理和應用上取得了顯著成果，但仍然存在一些挑戰(zhàn)，如如何處理大規(guī)模、高復雜度的點云數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)建筑歷史信息的深度挖掘，以及如何將點云數(shù)據(jù)與建筑信息模型（BIM）融合，以支持全生命周期的建筑管理。此外，如何將這些先進的技術更好地推廣到實際應用中，特別是在發(fā)展中國家，也是國外研究人員關注的焦點。第2章歷史建筑測繪技術2.1歷史建筑結構特點歷史建筑結構特點的復雜性和獨特性是其最顯著的特征，它們反映了不同時期的建筑風格、工藝技術以及地域文化。在繪制歷史建筑平立剖面圖時，理解這些特點至關重要，因為它們決定了圖紙的精度和信息完整性。歷史建筑通常采用手工工藝，其結構往往呈現(xiàn)出非標準化和個性化。例如，中世紀歐洲的哥特式建筑以其高聳的尖拱、飛扶壁和玫瑰窗為特色，而中國的古代建筑則以其精巧的斗拱、藻井和彩畫聞名。這些獨特的結構元素要求在點云數(shù)據(jù)處理階段對點云進行精細的分割和特征提取，以便準確地復原建筑的細節(jié)。歷史建筑的材料多樣，包括木材、石材、磚瓦、泥土等，每種材料的光學和物理特性都會影響點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。例如，木材和磚石的反光性不同，可能需要不同的去噪和配準方法。此外，歷史建筑常因歲月侵蝕或修復而存在不同程度的損壞和缺失，這也對點云數(shù)據(jù)的處理提出了挑戰(zhàn)。再者，歷史建筑的平面布局和空間組織往往遵循特定的邏輯和模式，如軸線對稱、功能分區(qū)和序列空間等。這些布局特征在點云數(shù)據(jù)中可能并不顯而易見，但對平立剖面圖的繪制至關重要，因為它們體現(xiàn)了建筑的功能性和美學。因此，利用點云數(shù)據(jù)還原這些空間特征，需要結合歷史文獻和考古資料進行深入分析。歷史建筑的裝飾和細部是其藝術價值的重要體現(xiàn)，如雕刻、彩繪、陶磚鑲嵌等。點云數(shù)據(jù)能捕捉這些細節(jié)，但如何從海量點云中提取再進行準確處理并重現(xiàn)這些精美裝飾，是點云數(shù)據(jù)處理技術的一大挑戰(zhàn)。這可能需要結合計算機視覺、圖像處理以及藝術史知識，經(jīng)過人為的各種處理與研究以實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的藝術性解讀和表達。歷史建筑結構特點的多樣性、復雜性和藝術性，對基于點云數(shù)據(jù)繪制平立剖面圖提出了獨特的要求。在應用現(xiàn)代技術處理這些數(shù)據(jù)時，不僅要關注幾何精度，還要注重文化內(nèi)涵和藝術細節(jié)的再現(xiàn)，以確保繪制出的圖紙既能準確反映建筑的物理結構，又能傳達其歷史和文化價值。因此，深入研究歷史建筑的結構特點，是推動點云數(shù)據(jù)在建筑測繪中有效應用的關鍵。圖2.1西安興慶宮歷史建筑。2.2歷史建筑測繪的內(nèi)容和要求2.2.1歷史建筑測繪的主要內(nèi)容歷史建筑測繪的主要內(nèi)容包括建筑的外部和內(nèi)部空間特征，以及建筑元素的結構、裝飾和功能。這些信息對于理解和保護歷史建筑至關重要，能夠為后續(xù)的修繕、保護和展示工作提供準確的依據(jù)。在基于點云數(shù)據(jù)的測繪中，這些內(nèi)容的獲取和表達更加依賴于數(shù)據(jù)的處理和分析能力。外部空間特征包括建筑的平面布局、立面形式、屋頂樣式等方面。這些特征在點云數(shù)據(jù)中可以通過特征提取和幾何建模進行分析和表達。例如，通過檢測和匹配點云中的線特征，可以確定建筑的平面布局和邊界；利用點云數(shù)據(jù)中的高度信息，可以重建建筑的立面和屋頂形態(tài)。內(nèi)部空間特征包括建筑的室內(nèi)的空間組織、功能區(qū)劃和裝飾細節(jié)。這些信息在點云數(shù)據(jù)中可以通過空間分割和特征識別進行提取。例如，通過分析點云中的密度分布，可以識別出室內(nèi)的空間分隔；通過檢測和匹配點云中的點特征，可以識別出室內(nèi)的裝飾元素。建筑元素的結構和裝飾也是歷史建筑測繪的重要內(nèi)容。例如，建筑的墻體、門窗、柱子和屋頂?shù)冉Y構元素，以及雕刻、彩繪和鑲嵌等裝飾元素，都需要通過點云數(shù)據(jù)的精細處理和分析來進行提取和表達。在點云數(shù)據(jù)處理中，這些內(nèi)容的獲取和表達需要結合計算機視覺、圖像處理以及建筑學知識，以實現(xiàn)對歷史建筑的多維度和多層面的測繪。同時，這些內(nèi)容的準確性對于后續(xù)的圖紙繪制和保護工作至關重要，因此，深入研究歷史建筑測繪的內(nèi)容和要求，是利用點云數(shù)據(jù)進行高效測繪的基礎。2.2.2歷史建筑測繪的要求歷史建筑測繪的要求在精度、完整性、可讀性以及文化保育方面具有獨特的挑戰(zhàn)。首先，精度是衡量測繪成果質(zhì)量的關鍵指標。在基于點云數(shù)據(jù)的測繪中，這意味著必須確保提取的特征、建模的精度以及圖紙的幾何準確度符合專業(yè)標準。這要求在數(shù)據(jù)處理和分析階段采用高精度的算法，如魯棒的配準技術、精細的特征提取和高效的幾何建模方法，以減少因誤差累積導致的精度損失。完整性是歷史建筑測繪的另一重要要求。測繪不僅要準確反映建筑的當前狀態(tài)，還要盡可能恢復其歷史風貌，包括已損毀或缺失的部分。這就需要通過點云數(shù)據(jù)的深度分析，結合歷史文獻、考古資料和專家判斷，進行合理的推測和重建。例如，通過點云數(shù)據(jù)的紋理分析，可以推斷出缺失部分的可能材質(zhì)和顏色，從而在圖紙中予以標注?？勺x性是確保測繪成果易于理解和使用的條件。對于平立剖面圖來說，清晰的標注、合理的比例和規(guī)范的圖例是必不可少的。在點云數(shù)據(jù)處理中，應確保生成的圖紙能夠直觀地展示建筑的結構和空間關系，避免過多的技術細節(jié)干擾使用者的理解。此外，圖紙的組織和布局應當符合行業(yè)標準，以便于與其他圖紙和資料進行整合。圖紙名稱參考比例尺總平面圖1:500—1:200單體各層平面圖1:100—1:50單體立面圖、剖面圖、俯視圖、仰視圖1:50大樣圖1:20—1:5表2.1測繪內(nèi)容及參考比例尺。文化保育是歷史建筑測繪的特殊要求。測繪不僅僅是技術操作，更是對文化遺產(chǎn)的傳承。因此，測繪過程中必須尊重建筑的歷史價值和藝術特性，避免在處理數(shù)據(jù)時過度“現(xiàn)代化”或“簡化”。例如，在識別和描繪裝飾元素時，應盡可能保留其原始的藝術風格和細節(jié)。在建模和圖紙繪制中，應參考歷史資料，遵循歷史建筑的原有設計原則，確保測繪成果能夠準確呈現(xiàn)建筑的歷史信息和藝術風格。歷史建筑測繪的要求在精度、完整性、可讀性和文化保育方面，既是對現(xiàn)有測繪技術的考驗，也是推動技術進步的動力。通過優(yōu)化點云數(shù)據(jù)處理算法，結合多學科知識，有望在滿足這些要求的同時，提升歷史建筑測繪的效率和質(zhì)量，為歷史建筑的保護和傳承提供更有力的支持。2.3歷史建筑測繪類型歷史建筑測繪可以分為幾大類型，包括基礎測繪、修復測繪和專題測繪?；A測繪是歷史建筑測繪的基石，主要目的是獲取建筑的原始信息，包括建筑的外觀、內(nèi)部結構、裝飾細節(jié)、材料和功能?；A測繪的結果通常用于繪制平立剖面圖、組建建筑信息模型和編寫歷史建筑描述。在基于點云數(shù)據(jù)的測繪中，基礎測繪通常采用高分辨率的三維激光掃描設備進行數(shù)據(jù)采集，并結合計算機視覺和圖像處理技術進行數(shù)據(jù)處理和分析，以實現(xiàn)對建筑的全面、準確的測繪。修復測繪是在建筑修復或保護過程中進行的測繪，主要目的是記錄建筑的狀態(tài)變化，為修復設計和實施提供依據(jù)。修復測繪通常在建筑修復工程開始前和結束后的不同時期進行，比較兩個時期的測繪結果，可以評估修復的效果和建筑的保護狀況。在基于點云數(shù)據(jù)的測繪中，修復測繪可以通過點云數(shù)據(jù)的比較和分析，精確地識別出建筑的修復部分和變化程度，為修復決策提供數(shù)據(jù)支持。專題測繪是針對特定問題或需求進行的測繪，如建筑的歷史變遷、藝術價值、環(huán)境影響等。專題測繪的結果通常用于特定的研究或報告，為更深入的分析和理解提供數(shù)據(jù)支持。在基于點云數(shù)據(jù)的測繪中，專題測繪可以通過點云數(shù)據(jù)的深度分析和多維度解讀，揭示出建筑的特殊特征和背后的信息，為專題研究提供豐富的素材。歷史建筑測繪類型豐富多樣，每種測繪類型都有其獨特的目的和要求。通過理解這些類型的特點和應用，可以更有效地利用點云數(shù)據(jù)進行歷史建筑測繪，為建筑保護和研究提供更全面、準確的信息。2.4歷史建筑測繪的主要方法歷史建筑測繪的主要方法經(jīng)歷了從手工測量到現(xiàn)代技術的轉變，尤其是在引入三維激光掃描技術后，極大地提升了測繪的效率和精度。（1）傳統(tǒng)測繪方法傳統(tǒng)測繪方法主要包括手工測量和圖紙繪制，這種方法依賴于測繪人員的技能和經(jīng)驗。在歷史建筑測繪中，測繪員通常使用測量工具如卷尺、經(jīng)緯儀、鉛錘等，對建筑的幾何尺寸進行精確測量，然后手工繪制平立剖面圖。這種方法的優(yōu)點是能夠直觀地感受建筑的細節(jié)，但缺點是勞動強度大，耗時耗力，且精度受限于測繪人員的技藝和設備的精度。(2)現(xiàn)代測繪技術現(xiàn)代測繪技術的代表是三維激光掃描和無人機航測。這些技術可以快速獲取大量高精度的點云數(shù)據(jù)，極大地提高了數(shù)據(jù)采集的效率。三維激光掃描通過發(fā)射激光束并接收反射信號，確定激光束與物體表面的相對距離，從而構建出建筑的三維模型。無人機航測則通過搭載的相機在空中拍攝多張影像，通過影像匹配和攝影測量算法生成高精度的數(shù)字表面模型。(3)點云數(shù)據(jù)處理獲取的點云數(shù)據(jù)通常需要經(jīng)過預處理，包括去噪、配準和分割，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。去噪是移除掃描過程中產(chǎn)生的噪聲點，提高數(shù)據(jù)的純凈度。配準則是將不同掃描區(qū)域的數(shù)據(jù)對齊，形成整體的點云模型。分割則是將點云按照建筑的不同部分進行分離，如墻體、屋頂和門窗等，便于后續(xù)的特征提取和建模。(4)基于點云的特征提取與建模在點云預處理后，特征提取是關鍵步驟，它能識別出墻、窗、門等建筑元素，為平立剖面圖的繪制提供基礎。常用的特征提取方法包括基于邊緣、角點和表面的算法。建模階段是在提取特征的基礎上生成幾何模型，如使用三角網(wǎng)格、NURBS曲線等。(5)半自動繪制方法在獲取了三維模型后，可以結合CAD軟件，如AutoCAD和SketchUp，利用CloudWorx等插件實現(xiàn)半自動繪制。這種方法通過點云數(shù)據(jù)的切片功能，快速生成建筑的剖面圖，減少人工操作，提升繪制效率。同時，CAD軟件的編輯功能還能對細節(jié)進行精細化調(diào)整，確保圖紙的準確性和美觀性。(6)點云數(shù)據(jù)的整合與可視化點云數(shù)據(jù)的整合是將不同來源、不同時間點的點云數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，形成一個完整的建筑模型?？梢暬瘎t是以直觀的方式展示點云數(shù)據(jù)，幫助測繪人員和設計師理解建筑的細節(jié)和結構。常用的可視化工具包括開源的CloudCompare和商業(yè)軟件如LeicaCyclone。歷史建筑測繪方法的演變反映了科技進步對這一領域的影響。傳統(tǒng)方法的穩(wěn)健性和人工參與的細致程度與現(xiàn)代技術的高效和精確性相結合，為歷史建筑測繪提供了更全面、更精確的解決方案。隨著新技術的不斷涌現(xiàn)，歷史建筑測繪將更加智能化，為歷史建筑的保護和研究提供更為強大和便捷的工具。2.5本章小結本章主要為歷史建筑測繪技術。歷史建筑結構特點具有復雜性和獨特性，這就要求了在測繪的時候不僅要關注幾何精度，還要注重文化內(nèi)涵和藝術細節(jié)。歷史建筑測繪可以分為三大類型，基礎測繪、修復測繪和專題測繪?；A測繪通常用于繪制平立剖面圖、組建建筑信息模型。修復測繪通過點云數(shù)據(jù)的比較和分析，精確地識別出建筑的修復部分和變化程度，為修復決策提供數(shù)據(jù)支持。專題測繪通過點云數(shù)據(jù)的深度分析和多維度解讀，揭示出建筑的特殊特征和背后的信息，為專題研究提供豐富的素材。第3章三維激光掃描技術數(shù)據(jù)采集與預處理過程3.1三維激光掃描技術的特點與優(yōu)勢3.1.1三維激光掃描技術的特點三維激光掃描技術是一種基于激光測距原理，通過發(fā)射激光束并接收反射信號，確定激光束與物體表面的相對距離，從而構建出物體的三維模型。這種技術具有多種特點和優(yōu)勢，使得其在建筑測繪領域中得到廣泛應用。三維激光掃描技術具有高精度的特點。由于其工作原理，激光束的發(fā)射和接收是高精度的，因此形成的點云數(shù)據(jù)具有很高的幾何精度。這種精度可以達到毫米級別，遠超過傳統(tǒng)測量方法的精度，為繪制建筑平立剖面圖提供了更準確的基礎數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術具有高效率的特點。傳統(tǒng)的方法往往需要人工進行測量和繪制，耗時耗力，而三維激光掃描技術可以快速地獲取大量數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率。特別是在處理復雜的建筑結構時，這種高效率的特點更為明顯。三維激光掃描技術還具有非接觸的特點。這意味著在數(shù)據(jù)采集過程中，無需直接接觸建筑物，減少了對建筑結構的潛在破壞，同時也降低了操作人員的危險。這種特點使得該技術在歷史建筑測繪中尤其受到歡迎，因為它可以保護這些珍貴的建筑免受物理損傷。三維激光掃描技術具有自動化的特點。通過使用專門的軟件和硬件設備，掃描過程可以自動進行，數(shù)據(jù)的預處理和分析也可以通過計算機程序自動完成。這種自動化的特點大大減少了人工干預，提高了測繪的準確性和效率。3.1.2三維激光掃描技術與近景攝影測量技術的區(qū)別三維激光掃描技術與近景攝影測量技術在建筑測繪中都發(fā)揮著重要作用，但它們的工作原理和適用場景卻有所不同。近景攝影測量技術主要依賴于多張航拍或地面拍攝的影像，通過影像匹配和幾何重建技術生成三維模型。而三維激光掃描技術則依賴于激光測距原理，通過發(fā)射和接收激光信號直接獲取點云數(shù)據(jù)。這兩種技術在精度上存在差異。近景攝影測量技術的精度受限于影像質(zhì)量、匹配算法和數(shù)據(jù)處理流程，一般精度在厘米級別。而三維激光掃描技術由于其直接測距的特性，可以達到毫米級別的精度，更適合對精度要求較高的歷史建筑測繪。在效率方面，近景攝影測量技術在處理大規(guī)模區(qū)域時具有優(yōu)勢，可以通過無人機航拍獲取大規(guī)模的影像數(shù)據(jù)，然后進行批處理。而三維激光掃描技術更適合于局部和細節(jié)的測繪，由于其儀器的便攜性，可以快速、靈活地對建筑的任何部分進行掃描，然后進行單點處理。另外，近景攝影測量技術在數(shù)據(jù)處理過程中需要進行影像匹配，這可能會因為光照、陰影和紋理復雜性等因素的干擾而降低數(shù)據(jù)的質(zhì)量。而三維激光掃描技術則通過直接測距，減少了對外部環(huán)境的依賴，數(shù)據(jù)質(zhì)量更加穩(wěn)定。在應用方面，近景攝影測量技術在城市規(guī)劃、地質(zhì)測繪等領域具有廣泛的應用，而三維激光掃描技術則在建筑測繪、文物保護等領域表現(xiàn)出色，特別適用于歷史建筑測繪，能夠提供高精度、高效率的點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術和近景攝影測量技術各有其特點和優(yōu)勢，根據(jù)具體的應用場景和需求，選擇合適的測量方法，可以提高測繪的效率和精度，為建筑平立剖面圖的繪制提供有力的數(shù)據(jù)支持。3.1.3三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的優(yōu)勢在歷史建筑測繪中，三維激光掃描技術的優(yōu)勢尤為顯著，它不僅彌補了傳統(tǒng)測繪方法的局限，還極大地提升了測繪的質(zhì)量和效率。首先，歷史建筑往往具有復雜且獨特的結構，如哥特式尖拱、中國古代的斗拱等，這些結構的精細細節(jié)和精確尺寸是評估建筑價值和進行修復工作的重要依據(jù)。三維激光掃描技術能夠以毫米級的精度捕獲這些細節(jié)，確保平立剖面圖的幾何準確性，這是傳統(tǒng)手工測量難以企及的。歷史建筑的材料多樣性和歲月侵蝕造成的損壞，對數(shù)據(jù)采集提出了挑戰(zhàn)。三維激光掃描技術能夠容忍表面質(zhì)感和顏色的變化，即使在光照條件不佳或有損壞的情況下，也能獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。尤其對于內(nèi)外部表面的溫度差異分析，如瑞士Empa的研究，可為節(jié)能改造提供科學依據(jù)，進一步凸顯了其在歷史建筑熱性能研究中的獨特價值。再者，歷史建筑的空間布局和序列空間往往具有特定的歷史和文化意義。利用三維激光掃描技術，可以捕捉到空間的三維信息，結合點云數(shù)據(jù)的深度分析，研究人員可以揭示出建筑的軸線對稱、功能分區(qū)等布局特征，這對于理解建筑的功能性和美學至關重要。而這些信息在點云數(shù)據(jù)處理階段，通過算法的精細分割和特征提取得以重現(xiàn)。三維激光掃描技術的非接觸特性對于歷史建筑保護至關重要。它在數(shù)據(jù)采集過程中不會對建筑造成物理損傷，這對于保護這些珍貴的文化遺產(chǎn)意義重大。其自動化和便攜性也使得它可以靈活地適應不同環(huán)境和建筑規(guī)模，無論是大型古羅馬城市遺址的重建，還是小規(guī)模歷史建筑的測繪，都能提供高效的數(shù)據(jù)采集解決方案。然而，盡管三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中展現(xiàn)出極大的潛力，但依然存在一些挑戰(zhàn)，如如何處理大規(guī)模高復雜度的點云數(shù)據(jù)，如何將點云數(shù)據(jù)與建筑信息模型融合，以及如何實現(xiàn)對建筑歷史信息的深入挖掘等。這些問題的解決需要跨學科的合作，包括計算機科學、建筑學、歷史學和考古學的綜合應用。三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其高精度、高效率、非接觸性和適應性上，它為歷史建筑的保護、修復和研究提供了強有力的數(shù)據(jù)支持，是推動建筑測繪領域發(fā)展的重要技術。隨著技術的不斷進步，三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中的應用前景將更加廣闊。3.2數(shù)據(jù)獲取3.2.1現(xiàn)場踏勘現(xiàn)場踏勘是歷史建筑測繪工作的重要初始步驟，它為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析提供了重要基礎。在三維激光掃描技術應用于歷史建筑測繪的場景中，現(xiàn)場踏勘的目的在于確定最佳的掃描位置和角度，以確保點云數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性和精度。這一步驟涉及對建筑的詳細了解，包括建筑的總體布局、特色區(qū)域、結構復雜性以及可能的障礙物，如樹木、電線等，這些因素可能影響激光掃描的覆蓋范圍和數(shù)據(jù)質(zhì)量。在踏勘過程中，測繪人員需記錄建筑的外部特征，如門窗位置、檐口高度、屋頂形狀等，并對內(nèi)部空間進行初步的探索，以識別功能分區(qū)和裝飾細節(jié)。同時，他們需要考慮可能的掃描路徑，特別是在封閉或具有復雜結構的室內(nèi)空間，確定適當?shù)穆窂娇梢员苊鈹?shù)據(jù)采集過程中的冗余和遺漏。踏勘中還需要考慮光照條件，特別是在室外測量，光照會影響激光反射，從而影響點云數(shù)據(jù)的生成。對于內(nèi)外部表面的溫度差異分析，例如在評估歷史建筑的熱性能時，現(xiàn)場踏勘階段需要識別可能影響測溫數(shù)據(jù)的熱源和遮擋物。利用GPS和GIS技術，踏勘人員可以精確記錄每個掃描點的位置，這不僅有助于在數(shù)據(jù)處理階段進行點云的配準，也為后續(xù)的建筑信息模型的地理定位提供了依據(jù)。同時，通過在踏勘過程中拍攝照片和視頻，可以作為點云數(shù)據(jù)的補充，提供視覺參考，幫助在后期識別和分析點云數(shù)據(jù)中的特征?，F(xiàn)場踏勘是與建筑專家和業(yè)主進行溝通的關鍵時刻，可以獲取歷史背景、修復歷史和預期保護目標等重要信息，這在確保測繪工作滿足保護和研究需求方面至關重要。通過綜合這些信息，測繪團隊能夠制定出最合適的掃描策略，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)采集過程，提高點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并為之后的建筑平立剖面圖繪制提供堅實的基礎?？偠灾?，現(xiàn)場踏勘是三維激光掃描技術在歷史建筑測繪中不可或缺的一環(huán)，它為點云數(shù)據(jù)的精準獲取、數(shù)據(jù)處理策略的制定以及與利益相關者的溝通提供了必要的前期準備。通過科學的現(xiàn)場踏勘，可以確?；邳c云數(shù)據(jù)的歷史建筑平立剖面圖繪制工作順利進行，為歷史建筑的保護與研究工作提供精確、詳實的參考資料。圖3.1歷史建筑涼亭影像圖。3.2.2控制網(wǎng)的布設在三維激光掃描技術應用于歷史建筑測繪的場景中，控制網(wǎng)的布設對于保證點云數(shù)據(jù)的精確性和完整性至關重要。控制網(wǎng)是用于測量和檢查點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的一套標志物，它由一系列已知位置且穩(wěn)定不變的點位構成，這些點位可以被激光掃描設備捕獲到，為數(shù)據(jù)采集和處理提供可靠的參照。在布設控制網(wǎng)時，首先要確定關鍵的參考點，這些點通常位于建筑的角落、正中心或重要結構的位置。這些點的選擇應確保覆蓋整個建筑，同時避免被遮擋或影響數(shù)據(jù)采集，如樹木、電線等障礙物。在布設控制網(wǎng)時，需使用高精度的測量工具，如經(jīng)緯儀或全站儀，以確保這些點位的準確位置?？刂凭W(wǎng)的點位應盡可能均勻分布，以確保點云數(shù)據(jù)的連續(xù)性。此外，控制點的數(shù)量和分布應根據(jù)建筑的大小和復雜程度進行調(diào)整，以確保足夠的覆蓋率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。除了物理的控制點，還可以利用建筑內(nèi)部的固定特征作為虛擬控制點，如房間的中心點、結構的交點等。這些特征可以被激光掃描設備捕獲到，為點云數(shù)據(jù)提供額外的參照。控制網(wǎng)的布設過程應嚴格遵循測量規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和一致性。在數(shù)據(jù)處理階段，通過對控制點的檢測和匹配，可以進行點云數(shù)據(jù)的校準和配準，以提高點云數(shù)據(jù)的精度和完整性。通過科學地布設控制網(wǎng)，可以確?；邳c云數(shù)據(jù)的歷史建筑測繪工作中的數(shù)據(jù)精確性和完整性。這不僅對于繪制平立剖面圖，而且對于建筑信息模型的構建、修復設計和保護決策等后續(xù)工作，都具有重要的影響。3.2.3標靶的布設在三維激光掃描技術應用于歷史建筑測繪中，標靶的布設是提高點云數(shù)據(jù)配準精度的重要步驟。標靶，通常是由特定幾何形狀和高對比度顏色的材料制成的標志，其設計目的是在掃描過程中被輕易識別，以便于軟件在數(shù)據(jù)處理階段進行點云的精確配準和整合。標靶的準確位置和清晰可見性是關鍵，因為它們?yōu)椴煌瑨呙鑵^(qū)域之間的數(shù)據(jù)拼接提供了一個共同的參照系統(tǒng)。標靶的布設應在控制網(wǎng)的基礎上進行，優(yōu)先選擇建筑的關鍵結構和特征區(qū)域，比如屋檐、柱子、門窗邊緣等，確保標靶能夠覆蓋整個建筑的各個主要部分。同時，為了避免遮擋和確保標靶在不同視角下都能被清晰捕獲，標靶應盡可能布置在開放且不受其他物體影響的區(qū)域。標靶的大小和形狀應根據(jù)激光掃描設備的特性來選擇，以確保在各種距離和角度下都能被準確識別。通常，標靶設計成具有多個對稱軸的多邊形，如正方形或圓形，以增加在不同光線條件下的可見性。為了便于在圖像中識別，標靶的顏色應與建筑背景形成鮮明對比，如白色或鮮艷的顏色。在標靶的布設過程中，應仔細記錄每個標靶的位置和朝向，通常使用全站儀或GPS進行精確測量。這些信息會在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理階段用于標靶點的匹配和坐標系統(tǒng)的轉換，從而實現(xiàn)點云的精確配準。為了應對可能出現(xiàn)的遮擋或丟失，布設的標靶數(shù)量應多于實際需要，以保證在數(shù)據(jù)處理時有冗余信息用于容錯。在特定情況下，如內(nèi)部空間測量，可以使用可移動標靶，以便在多個視點下進行掃描，提高數(shù)據(jù)的完整性。圖3.2控制網(wǎng)和標靶布設圖。在完成標靶布設后，需要進行預掃描以檢查標靶是否在預期位置并清晰可見。如果發(fā)現(xiàn)標靶位置不佳或遮擋嚴重，應及時調(diào)整，以確保后續(xù)掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過這一嚴謹?shù)臉税胁荚O過程，能夠顯著提升基于點云數(shù)據(jù)的建筑平立剖面圖繪制的精度和一致性，為歷史建筑的保護和研究提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。3.2.4建筑物的掃描建筑物的掃描是三維激光掃描數(shù)據(jù)采集的關鍵步驟，它直接決定了點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和后續(xù)建模工作的難易程度。在歷史建筑測繪中，建筑物的掃描通常分為外部掃描和內(nèi)部掃描兩個主要部分，每個部分都有其特定的挑戰(zhàn)和策略。外部掃描通常在天氣良好、光照充足的條件下進行，以確保激光束的反射效果最佳。掃描設備通常放置在開闊的視野區(qū)域，以覆蓋建筑的整個外表面。使用旋轉掃描儀，可以圍繞建筑物進行全方位的掃描，以獲得無死角的點云數(shù)據(jù)。為減少遮擋和提高數(shù)據(jù)的連續(xù)性，掃描過程應確保設備與建筑物保持穩(wěn)定的距離，并避免在建筑物的陰影區(qū)域內(nèi)進行。在掃描過程中，重要的是要設定合理的掃描參數(shù)，如激光束的發(fā)射頻率、掃描速度以及數(shù)據(jù)的分辨率。這些參數(shù)的選擇會直接影響到點云數(shù)據(jù)的密度和精度。例如，較高的掃描速度可以減少數(shù)據(jù)采集時間，但可能會降低數(shù)據(jù)的細節(jié)精度；而較高的數(shù)據(jù)分辨率則可以捕捉更多的細節(jié)，但會增加數(shù)據(jù)處理的復雜性和存儲需求。內(nèi)部掃描則更具挑戰(zhàn)性，因為內(nèi)部空間可能有復雜的結構、低光照條件以及空間的限制。為了獲取精確的點云數(shù)據(jù)，可能需要使用便攜式掃描設備，配合控制點和標靶的使用，確保內(nèi)部掃描與外部掃描數(shù)據(jù)的無縫拼接。在掃描過程中，可能會遇到各種障礙物，如家具、裝飾品或支撐結構，需要特別注意避免遮擋激光束。在內(nèi)部掃描時，可以采用分塊或線性路徑的方法，確保每一部分都被均勻、全面地掃描。此外，利用移動標靶或特定的追蹤系統(tǒng)，可以在不同的視點收集數(shù)據(jù)，增加內(nèi)部空間的覆蓋度。若內(nèi)部有很高的天花板或復雜的頂部結構，可能還需要使用無人機搭載激光掃描設備進行掃描。建筑物的掃描過程中，也要考慮到激光掃描設備的溫度和濕度適應性，以及設備自身可能產(chǎn)生的熱量對內(nèi)部環(huán)境的影響。為保護珍貴的歷史建筑，掃描設備應使用適當?shù)谋Ｗo措施，避免在操作過程中產(chǎn)生振動或接觸，可能對建筑表面造成潛在的傷害。在掃描完成后，數(shù)據(jù)的初步檢查是必要的，以確保沒有遺漏或明顯的數(shù)據(jù)異常。如果發(fā)現(xiàn)有不完整或質(zhì)量較差的部分，可能需要返回現(xiàn)場進行補掃。此外，通過比較不同視點的掃描結果，可以發(fā)現(xiàn)潛在的掃描誤差，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供參考。圖3.4原始掃描點云數(shù)據(jù)圖建筑物的掃描是一個既需要技術熟練，又需要藝術感的過程。它既要保證點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，又要充分利用激光掃描技術的潛力，捕捉歷史建筑的細微之處。通過精心規(guī)劃和執(zhí)行掃描任務，可以獲得高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)，為歷史建筑平立剖面圖的繪制打下堅實的基礎，同時也為建筑保護和研究提供寶貴的視覺素材。3.2.5紋理數(shù)據(jù)采集紋理數(shù)據(jù)采集在基于點云數(shù)據(jù)繪制建筑平立剖面圖中扮演著至關重要的角色。紋理信息不僅為后期的圖像渲染提供真實的視覺感受，還能夠反映建筑材質(zhì)的特性，對于研究建筑的歷史演變和修復工作具有重要意義。傳統(tǒng)的紋理采集通常依賴于高分辨率的攝影，但在三維激光掃描技術中，紋理數(shù)據(jù)的獲取方式更為高效且與點云數(shù)據(jù)同步。在點云數(shù)據(jù)采集過程中，一些三維激光掃描儀配備了RGB相機，可以在掃描的同時捕捉建筑的顏色信息，這種技術被稱為彩色點云。彩色點云在每個點的位置上附加了顏色信息，使得點云不僅包含幾何形狀，還包含了建筑表面的顏色細節(jié)。通過將顏色信息與點云數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，可以創(chuàng)建具有豐富紋理的三維模型。這種方法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集的同步性和一致性，有助于保持模型的細節(jié)和準確性。在數(shù)據(jù)處理階段，為了制作出高質(zhì)量的建筑平立剖面圖，可能需要對原始的紋理數(shù)據(jù)進行處理。這包括對不連續(xù)的顏色進行平滑處理，以減少掃描過程中可能產(chǎn)生的噪聲影響。另外，對于有較大光照變化或陰影部分，可能需要使用光照模型進行校正，以保證紋理在不同視角下的視覺一致性。如果采用非彩色點云掃描設備，或是需要獲得更高分辨率的紋理信息，可以采用多視圖攝影測量技術。這種方法通常結合無人機航拍或地面攝影，通過影像匹配算法將多張照片拼接成高分辨率的紋理圖像。然后，通過將這些紋理圖像映射到點云模型上，為模型提供詳細的紋理信息。這種方法雖然需要額外的圖像處理步驟，但可以提供更細膩的視覺效果，對于藝術性和精細度要求較高的建筑測繪非常適用。無論采用何種方式，紋理數(shù)據(jù)的采集和處理都是建筑平立剖面圖繪制的關鍵步驟。紋理數(shù)據(jù)的準確性和完整性不僅提升了平立剖面圖的視覺效果，還能為建筑的保護修復提供更詳盡的信息，幫助還原建筑的歷史風貌，同時也為研究者提供了豐富的視覺素材，對于歷史建筑的深入研究具有深遠的意義。通過精細的紋理數(shù)據(jù)處理，歷史建筑的平立剖面圖不僅能展示其幾何結構，更能傳達其獨特的視覺和文化價值。3.3點云數(shù)據(jù)的預處理過程數(shù)據(jù)獲取3.3.1去除噪聲點云數(shù)據(jù)的預處理是有效利用激光掃描技術數(shù)據(jù)的關鍵步驟，其中去除噪聲是至關重要的一環(huán)。噪聲，通常表現(xiàn)為點云中的隨機點或異常值，可能是由掃描過程中的干擾、設備誤差或是數(shù)據(jù)處理中的錯誤產(chǎn)生的。這些噪聲點會降低模型的精度，影響建筑平立剖面圖的繪制質(zhì)量和最終的分析結果。因此，高效的噪聲去除策略對于確保點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量至關重要。常用的噪聲去除方法包括基于統(tǒng)計學的濾波、基于密度的濾波和基于邊緣的濾波。統(tǒng)計學濾波，如中位數(shù)濾波和均值濾波，通過比較點云中相鄰點的距離或屬性，剔除顯著偏離平均值的點。這種方法簡單易行，但可能會誤判某些關鍵的邊緣點或特征點為噪聲?；诿芏鹊臑V波，如RANSAC（隨機樣本consensus）算法和DBSCAN（密度聚類算法），通過分析點云中相鄰點的密度來判斷和去除噪聲。這種方法對大規(guī)模點云數(shù)據(jù)處理效果較好，能較好地保留邊緣和尖角特征，但對空洞區(qū)域的處理可能會有所不足?；谶吘壍臑V波方法，如使用邊緣檢測算法檢測并保留邊緣點，同時移除那些遠離邊緣的孤立噪聲點。這種方法對于維護建筑細節(jié)尤其有效，但可能在處理平滑表面時留下殘留噪聲。圖3.5初步去噪后點云數(shù)據(jù)圖在實際應用中，通常會結合使用多種方法，以確保在去除噪聲的同時，盡可能地保留點云數(shù)據(jù)的完整性。首先，進行初步的統(tǒng)計濾波以消除明顯的異常點。然后，通過密度濾波進一步去除噪聲點，同時保護邊緣特征。最后，可能需要進行邊緣保護，以確保關鍵的建筑結構和細節(jié)不會在處理過程中被誤刪除。對于特定的建筑測繪項目，可以根據(jù)實際需求和建筑的特定特征，定制噪聲去除策略。例如，在歷史建筑中，可能會存在由于歲月侵蝕產(chǎn)生的表面不規(guī)則，這些不規(guī)則雖然看起來像是噪聲，但實際上是建筑歷史痕跡的重要體現(xiàn)，因此在處理時需要謹慎，避免誤刪除。在進行噪聲去除時，還需要充分考慮數(shù)據(jù)的質(zhì)量和后續(xù)應用，如是否需要進行精細化建?；蛘哌M行紋理映射。這需要對噪聲去除的程度進行權衡，既要保證模型的整潔，又要保留足夠的信息供后續(xù)工作使用。通過精細的預處理，點云數(shù)據(jù)可以得到優(yōu)化，為后續(xù)的建筑平立剖面圖繪制提供高質(zhì)量的基礎數(shù)據(jù)，為歷史建筑的保護和研究工作的準確性與有效性提供有力保障。3.3.2點云拼接點云拼接是點云數(shù)據(jù)預處理過程中的關鍵步驟，它將多個局部掃描結果整合成一個無縫的整體模型。在歷史建筑測繪中，由于建筑的規(guī)模和復雜性，往往需要在不同的位置和角度進行多次掃描，以獲取全面的點云數(shù)據(jù)。這些局部數(shù)據(jù)之間的拼接無疑是一項挑戰(zhàn)，因為它涉及到坐標系統(tǒng)的一致性、數(shù)據(jù)的連續(xù)性以及可能存在的數(shù)據(jù)冗余或缺失。點云拼接的過程通常包括以下幾個步驟：首先，通過使用控制點和標靶的匹配，對每個局部點云進行初始的粗略配準。這些參考點是預先布設的，確保了不同掃描區(qū)域之間的參照一致性。使用諸如ICP（迭代closestpoint）算法，可以實現(xiàn)基于點對點的距離最小化的配準，以消除掃描間的相對位置和旋轉誤差。在初步配準之后，可能仍存在一些微小的不匹配，這通常由掃描設備的精度誤差、環(huán)境變化、或者標靶的遮擋所引起。為解決這些問題，可以使用更精細的配準方法，如基于特征的配準，它利用建筑物的幾何特征，如角點、線段或平面，進行更精確的對齊。這種方法更魯棒，能處理更大規(guī)模的不匹配，但計算成本較高。在局部點云成功配準后，接下來是數(shù)據(jù)融合，即將這些匹配后的點云融合成一個整體模型。這一步通常涉及到數(shù)據(jù)的去重和填充缺失區(qū)域。去重是去除重復的點，以消除局部掃描重疊區(qū)域的冗余。填充缺失區(qū)域則是在因遮擋或設備限制而未被掃描到的區(qū)域插入合適的點，以保持模型的完整性。對于缺失區(qū)域的填充，可以使用插值算法根據(jù)臨近點的坐標和屬性推測出缺失點的位置，或者利用機器學習方法根據(jù)已知點的分布規(guī)律來預測缺失點。在拼接過程中，還需要注意光照和紋理的一致性。雖然在掃描過程中，可能會因為光照條件的變化導致局部點云的色彩信息不一致，這將影響到最終模型的視覺效果。為解決這個問題，可以使用光照校正或者光照映射方法，確保不同掃描區(qū)域的色彩在合成后的模型中保持一致。點云拼接的精度直接影響到最終平立剖面圖的準確性和美觀性。一個高質(zhì)量的點云拼接結果，能保證建筑模型的連續(xù)性，避免了斷斷續(xù)續(xù)的視覺效果，使得建筑的平立剖面圖更加精確、真實。此外，良好的點云拼接還可以為建筑信息模型的構建、虛擬現(xiàn)實應用以及后期的保護和修復決策提供更為可靠的基礎數(shù)據(jù)。為了進一步提高點云拼接的效率和準確性，一些高級的拼接技術如全局優(yōu)化算法和多傳感器融合也被引入到實際應用中。這些技術將點云拼接視為一個全局問題，通過優(yōu)化所有局部掃描的相對位置，以達到最佳的整體匹配效果。同時，結合其他傳感器如GPS、IMU（慣性測量單元）的數(shù)據(jù)，可以提供更精確的地理位置和運動信息，進一步提升拼接的精度。點云拼接是點云數(shù)據(jù)預處理過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，它確保了歷史建筑的三維模型的完整性和一致性。通過有效和精確的點云拼接，可以得到一個高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的建筑平立剖面圖繪制提供堅實的基礎。隨著技術的不斷進步，點云拼接將更加自動化和智能化，為歷史建筑的保護和研究提供更強大、更便捷的數(shù)據(jù)支撐。3.4本章小結本章為三維激光掃描技術數(shù)據(jù)采集與預處理過程。主要介紹了三維激光掃描技術以及對點云數(shù)據(jù)的采集及預處理的過程方法。第4章歷史建筑立剖面圖的制作4.1點云模型數(shù)據(jù)制作三維建模的方法三維建模是指就是利用三維數(shù)據(jù)信息將現(xiàn)實中的三維物體或場景在計算機中進行重建，最終能夠在計算機上模擬出真實的三維物體或場景。目前，三維建模的方法有以下三種：1基于三維軟件建?；谌S軟件建模就是運用建模軟件利用立方體、球體等一些基本的幾何要素通過平移、旋轉、拉伸以及布爾運算等來構建三維物體或場景。利用建模軟件構建三維模型主要包括幾何建模、物理建模、行為建模、對象特性建模以及模型切分等。其中，幾何建模的創(chuàng)建與描述，是虛擬場景造型的重點。2基于圖像建?；趫D像建模就是利用獲取的二維影像來恢復景物的三維目標信息。這種方法被廣泛用在具有輪廓的目標物幾何表面的建模和精確的地形和城市建模。這種方法是被動的基于多視角的建模方法。但是與傳統(tǒng)的利用建模軟件或者基于點云數(shù)據(jù)得到立體模型的方法相比，基于圖像建模的方法成本比較低，真實感比較強，自動化程度比較高，因而有著比較廣泛的應用前景。3基于點云數(shù)據(jù)的建?；邳c云數(shù)據(jù)的建模就是對由三維激光掃描儀等儀器獲取的物體表面的點云數(shù)據(jù)進行處理來完成對實際物體的建模。傳統(tǒng)的平面掃描儀、攝像機等獲得的是平面圖案，無法獲得物體表面深處或復雜表面的數(shù)據(jù)信息，而三維激光掃描儀有效地解決了這一問題，其有著掃描速度快、精度高、自動化、數(shù)字化等優(yōu)點，獲得的點云數(shù)據(jù)能夠真實的反應物體的立體形狀，但利用點云數(shù)據(jù)建模的缺點是速度比較慢。4.2點云模型數(shù)據(jù)制作三維建模的過程在歷史建筑測繪中，基于點云數(shù)據(jù)制作三維建模是一個重要環(huán)節(jié)。首先，通過三維激光掃描技術，能夠獲取到高精度的點云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表了建筑的三維結構和表面特征。接下來，這些點云數(shù)據(jù)需要進行預處理，包括去除噪聲和點云拼接，以確保模型的準確性和完整性。（1）點云數(shù)據(jù)的導入和著色將在cyclone中拼接好的點云數(shù)據(jù)以(*.xyz)格式輸出，導入Geomagicstudio中，出現(xiàn)的點云數(shù)據(jù)是黑色的，顯示共采集到1522894個點云數(shù)據(jù)，為了能夠使點云數(shù)據(jù)具有三維感、真實感，需要對點云數(shù)據(jù)著色，著色后的點云數(shù)據(jù)如下圖所示：圖4.1著色后點云數(shù)據(jù)。（2）噪聲點的濾除掃描得到的點云數(shù)據(jù)里含有噪聲點是不可避免的，去除噪聲點主要有兩種方式：手動刪除和自動過濾。手動刪除噪聲點是一個人機交互的過程，通過手動框選明顯的噪聲點，再將其刪除，這種方法操作簡單、方便，但工作效率底；自動過濾噪聲點是指通過設定一定的閾值來對噪聲點進行刪除，主要有選擇非連接項、選擇體外孤點和減少噪聲三個方面，這種方法效率高，但并不能把所有噪聲點刪除，所以在實際操作中需要兩種方法結合使用，以達到最佳的去噪目的，經(jīng)過去噪后還有1432772個點云數(shù)據(jù)。圖4.2去噪后點云完整數(shù)據(jù)。（2）點云重采樣對點云數(shù)據(jù)進行重采樣可以有效消除點云中的冗余數(shù)據(jù)，掃描時相鄰兩站公共區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)拼接后會有一定的重疊，這樣增加了點云數(shù)據(jù)的密度，為了減少由此帶來的對計算機資源的消耗，方便后期對點云數(shù)據(jù)的處理，在保證掃描物建模精度不發(fā)生變化的前提下，可以對點云數(shù)據(jù)進行重采樣，這樣可以有效地減少噪聲對后期處理及應用的影響，Geomagicstudio軟件提供了四種重采樣的方法：曲率采樣、等距采樣、統(tǒng)一采樣和隨機采樣。這次重采樣采用了統(tǒng)一采樣的方法，設置點云間隔為0.01mm，重采樣后還有489977個點云數(shù)據(jù)。圖4.3重采樣后點云數(shù)據(jù)。4.3歷史歷史建筑線性特征的提取線性特征的提取在歷史建筑平立剖面圖的制作中扮演著至關重要的角色。這些特征，如建筑的輪廓、結構線、門窗位置等，是建筑形態(tài)和結構的關鍵體現(xiàn)，為平立剖面圖的精確繪制提供了關鍵信息。線性特征的提取通常遵循以下步驟：從初步的點云模型中生成正射深度影像，這是一種將激光掃描數(shù)據(jù)轉換為類似航空攝影的二維圖像的技術，它能夠直觀展示建筑物的表面結構和平整度。正射深度影像的生成有助于從海量點云數(shù)據(jù)中快速提取主要的線性特征，如建筑的邊緣線和主要的結構線。提取得到的線性特征可能包含一些冗余或不完整的部分，因此需要對提取結果進行精煉和修正。這通常包括去除小的分支、連接斷裂的線條以及修正可能的傾斜或扭曲。這些修正可以通過手動操作結合計算機算法來完成，以確保提取的線性特征準確、完整。在完成線性特征的提取后，接下來是與控制點和標靶的匹配，以進一步校準線性特征的位置。這些控制點和標靶在掃描過程中的布設為提取的線性特征提供了參照，確保它們與實際建筑結構的一致性。通過匹配和校準，可以確保線性特征的精確度，這對于平立剖面圖的繪制至關重要。線性特征的提取是建筑平立剖面圖繪制的基礎，它為后續(xù)的平面圖和立面圖制作提供了精確的邊界和結構信息。在提取過程中，結合了點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢以及圖像處理和計算機視覺技術，實現(xiàn)了對歷史建筑復雜結構的有效解析。通過這一系列步驟，可以準確地構建出歷史建筑的線性特征圖，為最終的平立剖面圖繪制提供堅實的基礎，為歷史建筑保護和研究提供精確的視覺依據(jù)。4.4歷史建筑立面圖的制作把建筑物的立面特征正投影到與其平行的投影面上所得到的圖形，稱為建筑物的立面圖。建筑物的立面圖能夠顯示出建筑物的外貌、外部結構和裝飾物件等。對建筑物進行立面圖的制作，首先打開PolyWorks軟件中的IMInspect模塊，導入已經(jīng)建好的涼亭三維立體模型，先正射顯示,再正視顯示，然后依照建筑物的立面特征，提取特征點，描繪出建筑物的特征線，為了能夠對建筑物的特征點進行準確的選取，應首先了解建筑物的外貌特征，這樣才能繪制出較高精度的圖形。涼亭是一個表面復雜的建筑物，在提取其特征點時，需要對三維立體模型進行平移、放大，從而能夠進行精確地描繪。描繪完后，將建筑物立面圖以(*.dxf)的格式導出。將描繪好的線劃圖在AuToCAD軟件中打開，再在立體視圖中正視顯示，此時可顯示出古建筑的立面線劃圖，其中許多細節(jié)部分需要進行修飾，例如圓、曲線等，以達到視圖上的美觀。修飾完畢后，加上圖廓，標注上比例尺、名稱、制作單位、負責人等便完成了建筑物立面圖的制作。圖4.4涼亭立面圖。由于建筑物的立面圖是從三維立體模型中描繪出來的，所以描繪出的是帶有三維坐標的三維圖形，因此不但可以在AuToCAD體現(xiàn)了建筑物立面的現(xiàn)狀，還可以在三維視圖中直接量測和標注需要的信息。4.5歷史建筑剖面圖的制作假想用一個垂直于地表的平面將建筑物剖開，移去觀察者與剖切平面之間部分，將剩余部分進行正投影，投影到平行于剖切面的投影面上，所得到圖形稱為建筑物的剖面圖。建筑物的剖面圖主要能夠顯示建筑物內(nèi)部各組成部分在垂直方向上的相互關系。建筑物剖面圖的制作過程大體上和立面圖是相同的，只是在把三維立體模型導入PolyWorks軟件中的IMInspect模塊，正射顯示模型后，對所要剖切的方向和位置進行一定的參數(shù)設置,由于三維立體模型上的數(shù)據(jù)三維的，就可以取得模型上任何位置的數(shù)據(jù)，這樣就可以給剖面圖的制作帶來了很大方便，最終得到的建筑物剖面圖如下：圖4.5涼亭剖面圖。4.6本章小結本章為歷史建筑立剖面圖的制作。以一個歷史涼亭為參考，首先對其的點云模型數(shù)據(jù)通過導入和著色，噪聲點的濾除，點云重采樣等方法制作出三維建模，在使用PolyWorks軟件中的IMInspect模塊以及AuToCAD繪制出歷史建筑立剖面圖。第5章模型建立的精度分析5.1點位誤差分析點位誤差分析是模型建立精度評估的重要組成部分，它量化了點云數(shù)據(jù)與實際建筑結構之間的偏差，為模型的精度提供了定量評估。點位誤差主要包括三個主要組成部分：空間精度、時間精度和特征精度?？臻g精度主要關注點云中的每個點相對于實際建筑的精確位置。這可以通過比較點云數(shù)據(jù)中的點與已知控制點的坐標來評估?？刂泣c通常是通過地面控制測量或衛(wèi)星定位系統(tǒng)（如GPS）預先確定的，它們的精確位置為點云的幾何校準提供了基準。通過計算每個點與其對應控制點之間的距離，可以得出點云數(shù)據(jù)的空間精度。通常，這一誤差在厘米級別，但隨著技術的進步，毫米級的精度也已成為可能。時間精度主要考量的是不同掃描時間點獲得的點云數(shù)據(jù)的一致性。對于動態(tài)環(huán)境，如室內(nèi)環(huán)境或有風的室外環(huán)境，時間精度可能會影響點云數(shù)據(jù)的連續(xù)性和整合性。通過比較不同掃描時間點的點云數(shù)據(jù)，可以識別出可能由環(huán)境變化引起的點位誤差。特征精度則關注點云中特定建筑特征的幾何描述與實際的匹配程度。例如，門窗的位置、角點的精確度、墻面的平直度等。這種類型的誤差可能源于掃描設備的分辨率限制、掃描參數(shù)的設置或數(shù)據(jù)處理方法。對關鍵特征的精確度評估，有助于確保建筑模型的細節(jié)復現(xiàn)。點位誤差分析通常通過誤差分布圖、誤差累積分布函數(shù)（CDF）和誤差云圖等形式進行可視化。誤差分布圖顯示點云中各點的誤差分布，幫助理解誤差的整體情況；誤差累積分布函數(shù)則描述了誤差超過某個閾值的概率，有助于設定誤差接受標準；誤差云圖則直觀地展示了點云數(shù)據(jù)與實際建筑結構的偏差情況。為了降低點位誤差，可以采取一系列策略，如優(yōu)化掃描參數(shù)以提高數(shù)據(jù)密度、使用更精確的設備、采用更高級的數(shù)據(jù)融合算法，以及在數(shù)據(jù)處理階段執(zhí)行更嚴格的噪聲去除。此外，定期校準設備、使用多重檢查方法和多源數(shù)據(jù)融合也是降低點位誤差的有效手段。點位誤差分析的結果，不僅為模型的精度提供了量化評估，也為改進掃描和數(shù)據(jù)處理流程提供了依據(jù)。它幫助理解在不同場景和條件下，基于點云數(shù)據(jù)的建筑平立剖面圖繪制的限制，為未來研究和應用設定更高的標準，推動了歷史建筑測繪技術的持續(xù)進步。5.2測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的點位誤差分析在基于點云數(shù)據(jù)繪制建筑平立剖面圖的應用研究中，模型建立的精度分析是至關重要的。本節(jié)將重點關注點位誤差分析，這是模型精度評估的重要組成部分，它量化了點云數(shù)據(jù)與實際建筑結構之間的偏差，為模型的精度提供了定量評估。點位誤差主要包括三個主要組成部分：空間精度、時間精度和特征精度。空間精度主要關注點云中的每個點相對于實際建筑的精確位置。這可以通過比較點云數(shù)據(jù)中的點與已知控制點的坐標來評估?？刂泣c通常是通過地面控制測量或衛(wèi)星定位系統(tǒng)（如GPS）預先確定的，它們的精確位置為點云的幾何校準提供了基準。通過計算每個點與其對應控制點之間的距離，可以得出點云數(shù)據(jù)的空間精度。通常，這一誤差在厘米級別，但隨著技術的進步，毫米級的精度也已成為可能。時間精度主要考量的是不同掃描時間點獲得的點云數(shù)據(jù)的一致性。對于動態(tài)環(huán)境，如室內(nèi)環(huán)境或有風的室外環(huán)境，時間精度可能會影響點云數(shù)據(jù)的連續(xù)性和整合性。通過比較不同掃描時間點的點云數(shù)據(jù)，可以識別出可能由環(huán)境變化引起的點位誤差。時間精度的分析有助于了解環(huán)境變化對模型精度的影響，并采取措施以減少這種影響。特征精度則關注點云中特定建筑特征的幾何描述與實際的匹配程度。例如，門窗的位置、角點的精確度、墻面的平直度等。這種類型的誤差可