得益于测绘地理信息技术的快速发展，我们不仅可以运用激光三维扫描和无人机航空摄影测量技术把古建筑文物空间信息存储起来，还能进行更深层次的二次开发将其用起来^[1]。通过三维激光测量建模既可以对古建筑修缮方案进行模拟预演，又能让园林古文化进行三维虚拟再现，借助互联网激活历史文物资源的生命力^{[2, 3]}。

传统古建筑测绘采用钢尺、角尺、测距仪、垂球、扶梯等工具，工作量大，精度低，技术落后；古建筑存档采用纸质材料或以文件方式存档，难以完整、精细、信息化地记录文物建筑复杂的结构体系及精致的材质工艺。为了更好、更完整、更科学地保存古建筑园林，记录并真实还原古建筑园林的营造方法、工艺处理、结构及体量比例^[4]，本文通过对东莞可园古建筑园林进行三维激光扫描测量、无人机航空摄影测量及后续三维建模，探索古建筑园林数字保护的空间数据库建设及系统开发的完整解决方案。

1 三维激光扫描测量技术

三维激光扫描仪按照测距方式不同分为脉冲式和相位式^[5]。脉冲式的特点是测程远, 扫描速度快, 扫描过程中可不设置标靶，数据采集和处理方便，适用于大场景激光数据的快速获取；相位式的特点为测程短, 扫描点密度大，测量精度高，色彩匹配好，适用于局部场景或单体对象的精细刻画。

激光扫描技术能够快速、高效、高密度采集古建筑园林的点云数据，但古建筑园林的海量点云数据全部或者按单体建筑整体显示，加载和渲染消耗资源太大，一般的计算机难以承受。原始的点云数据以不同站点存放，不便于快速查找和读入点云数据。因此，为了优化原始采集的海量激光点云数据在读取、编辑及管理上的效率，需要进行精确配准、点云的优化处理及分割入库，基于SQL Server的高效组织管理才能实现三维虚拟建模^[6]。

1.1 点云数据配准拼接

步骤如下：①基于同名点粗配准；②为了测制建筑平、立、剖面图，整合古建筑一级点云，采用ICP(iterative closest point)精确匹配，如图 1所示；③对于Faro扫描仪获取的数据，采用标靶球自动拼接；④将配准后的点云数据转换到西安80坐标系下。

1.2 点云分块存储与基于块索引的数据库管理方法

1) 点云入库。为了实现对点云的存储、快速检索和高效的组织管理，对点云数据进行分块，并规整化，将各站点的点云数据按坐标进行合并、排列、分块，以三维矩阵方式写入到二进制文件，再将二进制文件的文件起始和各数据块偏移量的物理地址以及扫描时间写入数据库，通过块索引文件和文件中的偏移地址实现点云的检索和调度^[7]。

实现方法如下：根据坐标值对点云数据重新排序整理，按照高程0.1 m、北方向1 m的间隔分割为条块，将每一块存储为一个二进制文件，采用SQL数据库记录块索引，扫描批次代码、块数据文件等信息。块信息数据表字段设置如表 1所示。

2) 点云检索。该三维建模系统实现了基于被选择的建筑构件模型检索调度点云，实现了三维激光扫描技术获得的点云数据与BIM技术的深度融合。在模型视图中，用户任意选择一组模型部件，根据选择部件的包围盒坐标，在块信息数据表中检索到对应点云所在的点云文件，再根据表中记录的起始偏移量OFFSET快速找到点云，并在点云视图中加载显示，方便快捷地实现古建筑物的三维再现，如图 2所示。

2 应用实例分析

本文以东莞可园博物馆、中山纪念堂、名村名镇街道等为应用实例，通过进行大量三维激光扫描、无人机航测作业和数据处理实验，解决古建筑园林数字化过程中数据获取、地形图测绘、精细三维建模、互动展示、数据管理与分析应用等方面存在的关键技术问题^[8]，为古建筑园林大场景数据获取制定一套包含激光扫描测绘、无人机航空摄影测量的地空联合方案，形成一套古建筑园林数字保护的空间数据库建设及系统开发的完整解决方案。实施方案如下：

1) 脉冲式与相位式激光扫描技术融合，解决古建筑本体与精细构件的一体化扫描。

在东莞可园古建筑园林扫描任务中，根据大场景快速扫描及局部雕塑、摆件精细刻画的双重需要，分别采用脉冲式和相位式激光扫描技术进行激光点云数据获取采集，采集的总数据(包含点云影像)达到1 200 GB。采用脉冲式激光扫描仪RIEGL VZ400采集古建筑厅堂内外及园林场景738测站。为了整体坐标转换的需要，采用GPS-RTK布测控制点11个，全站仪测量扫描测站的站心坐标点135个。

用RIEGL VZ400扫描仪作业时，没有布设标靶，内业以地物特征点匹配，节省了标靶设置和扫描时间。扫描作业过程共分为3期：①古建筑区全面扫描，含植被、家具；②移除盆栽、家具，采用自制云台补扫遮挡、屋顶，扫描非古建筑部分；③配准结束，根据点云查漏补缺，进行补扫。点云数据采集精度优于5 mm，拼合后形态误差不大于50 mm，建筑测绘图结构尺寸较差29.6 mm，三维模型尺寸精度优于50 mm。

2) 无人机与三维激光扫描结合的地形建模。为了完成地形建模及获取地形纹理贴图，采用瑞士senseFly eBee无人机低空航摄作业区及周边DOM(digital orthophoto map)、DSM (digital surface model)数据。eBee Ag无人机航摄系统，其相机为定制的佳能ELPH 110HS，有效像素1 610万。飞控系统采用eMotion 2，图像处理与分析软件为Postflight Terra 3D。航摄时，设定期望地面分辨率为5 cm，图像的重叠率为65%，按十字交叉型设计航线共14条，计算航高162 m。

采用Postflight Terra 3D对所拍摄的图像进行自动分析与处理。Postflight Terra 3D使用自动空三测量，包括内定向、相对定向、公共连接点的转刺、绝对定向，并采用光束法进行区域网平差，得到最终的外方位元素和加密点成果。在空三加密的基础上恢复立体模型，生成测区的DOM，如图 3所示。基于建成的东莞可园建筑园林三维虚拟模型，还帮助东莞可园博物馆开发了可园互联网互动系统、可园虚拟现实网络漫游系统，系统界面如图 4所示。

3 结束语

本文以东莞可园古建筑园林的三维建模为例，融合应用三维激光扫描测量技术、低空无人机航摄、数据库、虚拟现实、建筑信息模型等技术，结合古建筑园林数字保护的特殊需求，解决了古建筑园林数字化过程中存在的关键技术问题，制定了一套包含古建筑激光扫描测绘、三维建模完整的解决方案，为古建筑园林数字保护、修缮方案模拟等提供应用实例。同时对全国古建筑园林保护测绘及构建面向公众的三维虚拟演示具有借鉴意义^[9]。