三维激光影像扫描技术在洛伽山灯塔上的应用
郑黎明
摘 要：保灯塔建设年代久远普遍缺乏地形地貌测量资料、建筑结构详图，给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。使用三维激光影像扫描技术，将洛伽山灯塔的三维数据完整的采集到电脑中，快速重构出灯塔及附属建筑物的空间立体模型，从而快速绘制塔区平面图和建筑物结构详图。
关键词：三维激光影像 扫描技术 洛伽山灯塔
洛伽山灯塔位于浙江省舟山市普陀区境内的洛伽山岛的北面，灯塔始建于清光绪十六年即1890年，1931年改建，2013年入选第七批全国重点文物保护单位。灯塔采用青石砌成，塔身为红白横带圆塔，塔高为7米，灯高为40米，灯质为闪（3）红、白9秒，红光射程约7.5海里，白光射程约15海里。由于灯塔年代久远缺乏图纸资料，达不到全国重点文物保护单位相关要求。因地形地貌测量资料、建筑结构详图等缺乏给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，作为数字化三维信息采集手段可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，再现客观事物真实的形态特性。本文介绍通过采用三维激光影像扫描技术直接将洛伽山灯塔、附属建筑及所在岛屿的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出整个塔区的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。
全国重点文物保护单位对灯塔资料的相关要求
我国目前对于文物保护有《文物保护工程管理办法》、《中华人民共和国文物保护法实施条例》和《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》等法规，对于文物保护需要收集相关的基础数据资料，报告文化保护区范围内的地形图资料、建筑测量资料、色彩资料、表面精确资料等等。《文物保护工程管理办法》规定文物抢险加固工程、修缮工程、保护性设施建设工程的立项与勘察设计方案资料包括以下内容：拟立项目保护范围与建设控制地带的划定；保护工程必要性与实施可能性的件与形象资料（录像或照片）。《中华人民共和国文物保护法实施条例》第十一条规定文物保护单位的记录档案，应当包括文物保护单位本体记录等科学技术资料等内容。文物保护单位的记录档案，应当充分利用文字、音像制品、图画、拓片、摹本、电子文本等形式，有效表现其所载内容。
由于全国文物保护灯塔建设年代久远，受当时的技术限制普遍没有地形地貌资料和建筑尺寸图纸，在申报项目时候往往缺乏保护范围线与建设控制线，缺乏建筑物尺寸数据等技术资料，现在随着科学技术的发展，灯塔建立详细的数字资料数据库十分必要。
传统CAD测量绘图的局限性
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常难测量。传统的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。这些重建方法一是建模精确不高，无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法清晰表现纹理和材质。二是建模的工作量非常巨大。
三维激光影像扫描技术的介绍
三维激光影像扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术，通过高速激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，该光学镜将使激光在围绕扫描环境垂直旋转的方向上产生偏差；之后，将周围对象的该点处的数据并对该点进行定位。散射光反射回扫描仪，其使用相位偏移技术测量距离，通过使用角度编码器测量镜像旋转和水平旋转，计算各点的 X、Y、Z 坐标。
三维激光影像扫描由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏以及拟补传统测量手段的测量死角，快速准确获取建筑三维数据，极大程度上丰富了三维数据展示的效果。
三维激光影像扫描技术为灯塔提供的技术资料
1、为文保划定“两线”提供地形地貌测量资料
《中华人民共和国文物保护法》规定，文物保护单位要划定保护范围和建设控制地带，即“两线”。其中第九条文物保护单位的保护范围，是指对文物保护单位本体及周围一定范围实施重点保护的区域。第十三条文物保护单位的建设控制地带，是指在文物保护单位的保护范围外，为保护文物保护单位的安全、环境、历史风貌对建设项目加以限制的区域。
2、为维护、修缮和抢修文物工程项目提供详细的测量尺寸资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》要求建立记录档案其中第二部分图纸、照片、拓片、摹本等。图纸包括地理位置图、总平面图；建筑群体和主要单体的平、立、断面图；历次重要维修的实测、设计、竣工图。扫描出来的数据模型不仅外形与实物一样，其包含所有的几何信息也与实物完全一致，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。三维点云数据可以导入到AutoCAD、Autodesk Revit等软件中，进行后续的处理与加工，并且可以在Autodesk Revit中通过捕捉点直接绘制生成几何体。
3、为文物宣传提供视听和影像资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》建立记录档案其中第三部分电影片、录像、磁盘及其他信息载体等。三维激光影像扫描技术能在短时间内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，经过后期加工制作，可以制作成立体宣传视频或者立体实景模型放在网页上供人浏览。
三维激光影像扫描技术实施步骤，第一步配合服务公司进行现场的激光扫描工作，洛伽山海总面积为0.36平方公里，工作时间约5天，工作人员5人；第二步对扫描得到的数据进行处理，使之能够导入BIM软件；第三步根据现有图纸建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光扫描优化BIM模型。后期制作约10天时间，整个过程约需要15天左右的时间。
经过测量洛伽山灯塔精确数据如下：本体建筑坐北朝南，占地面积约12平方米，总高8.835米。基座平面呈圆形，直径为3.8米，高约0.54米。塔身为砖结构的圆台形建筑，下底面直径为3.1米，上底面直径为2米，高为4.85米，外饰红白相间带状横纹，辟有一门二窗；内沿塔体置铸铁盘旋式楼梯通塔身顶部的平台。平台上置灯笼，外围圆环形带铁栏杆的回廊。笼身分为上下两部分，下部为钢质笼壁，呈圆柱形，直径为2米，高1.2米，饰白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最长对径为1.8米，边长0.72米，高1.1米。笼顶为钢质，呈穹顶状，顶正中心设避雷针。
结束语
相对于传统的测绘，三维激光影像扫描不仅大量节约时间与人力，而且采集的点云数据可以直接生成三维点云模型，作为电子数据永久存档，对进行后续环节的工作开展提供了准确详实的数据支撑，能显著提高后续工作的效率和质量。
洛伽山灯塔入选“国保”提升这座百年灯塔在全国知名度，三维激光影像扫描技术制作立体模型及视频使它的历史价值、文化遗产价值和社会价值更广泛的得到宣传、保护、和发展。（作者单位：宁波航标处）
摘 要：保灯塔建设年代久远普遍缺乏地形地貌测量资料、建筑结构详图，给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。使用三维激光影像扫描技术，将洛伽山灯塔的三维数据完整的采集到电脑中，快速重构出灯塔及附属建筑物的空间立体模型，从而快速绘制塔区平面图和建筑物结构详图。
关键词：三维激光影像 扫描技术 洛伽山灯塔
洛伽山灯塔位于浙江省舟山市普陀区境内的洛伽山岛的北面，灯塔始建于清光绪十六年即1890年，1931年改建，2013年入选第七批全国重点文物保护单位。灯塔采用青石砌成，塔身为红白横带圆塔，塔高为7米，灯高为40米，灯质为闪（3）红、白9秒，红光射程约7.5海里，白光射程约15海里。由于灯塔年代久远缺乏图纸资料，达不到全国重点文物保护单位相关要求。因地形地貌测量资料、建筑结构详图等缺乏给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，作为数字化三维信息采集手段可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，再现客观事物真实的形态特性。本文介绍通过采用三维激光影像扫描技术直接将洛伽山灯塔、附属建筑及所在岛屿的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出整个塔区的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。
全国重点文物保护单位对灯塔资料的相关要求
我国目前对于文物保护有《文物保护工程管理办法》、《中华人民共和国文物保护法实施条例》和《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》等法规，对于文物保护需要收集相关的基础数据资料，报告文化保护区范围内的地形图资料、建筑测量资料、色彩资料、表面精确资料等等。《文物保护工程管理办法》规定文物抢险加固工程、修缮工程、保护性设施建设工程的立项与勘察设计方案资料包括以下内容：拟立项目保护范围与建设控制地带的划定；保护工程必要性与实施可能性的件与形象资料（录像或照片）。《中华人民共和国文物保护法实施条例》第十一条规定文物保护单位的记录档案，应当包括文物保护单位本体记录等科学技术资料等内容。文物保护单位的记录档案，应当充分利用文字、音像制品、图画、拓片、摹本、电子文本等形式，有效表现其所载内容。
由于全国文物保护灯塔建设年代久远，受当时的技术限制普遍没有地形地貌资料和建筑尺寸图纸，在申报项目时候往往缺乏保护范围线与建设控制线，缺乏建筑物尺寸数据等技术资料，现在随着科学技术的发展，灯塔建立详细的数字资料数据库十分必要。
传统CAD测量绘图的局限性
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常难测量。传统的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。这些重建方法一是建模精确不高，无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法清晰表现纹理和材质。二是建模的工作量非常巨大。
三维激光影像扫描技术的介绍
三维激光影像扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术，通过高速激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，该光学镜将使激光在围绕扫描环境垂直旋转的方向上产生偏差；之后，将周围对象的该点处的数据并对该点进行定位。散射光反射回扫描仪，其使用相位偏移技术测量距离，通过使用角度编码器测量镜像旋转和水平旋转，计算各点的 X、Y、Z 坐标。
三维激光影像扫描由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏以及拟补传统测量手段的测量死角，快速准确获取建筑三维数据，极大程度上丰富了三维数据展示的效果。
三维激光影像扫描技术为灯塔提供的技术资料
1、为文保划定“两线”提供地形地貌测量资料
《中华人民共和国文物保护法》规定，文物保护单位要划定保护范围和建设控制地带，即“两线”。其中第九条文物保护单位的保护范围，是指对文物保护单位本体及周围一定范围实施重点保护的区域。第十三条文物保护单位的建设控制地带，是指在文物保护单位的保护范围外，为保护文物保护单位的安全、环境、历史风貌对建设项目加以限制的区域。
2、为维护、修缮和抢修文物工程项目提供详细的测量尺寸资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》要求建立记录档案其中第二部分图纸、照片、拓片、摹本等。图纸包括地理位置图、总平面图；建筑群体和主要单体的平、立、断面图；历次重要维修的实测、设计、竣工图。扫描出来的数据模型不仅外形与实物一样，其包含所有的几何信息也与实物完全一致，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。三维点云数据可以导入到AutoCAD、Autodesk Revit等软件中，进行后续的处理与加工，并且可以在Autodesk Revit中通过捕捉点直接绘制生成几何体。
3、为文物宣传提供视听和影像资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》建立记录档案其中第三部分电影片、录像、磁盘及其他信息载体等。三维激光影像扫描技术能在短时间内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，经过后期加工制作，可以制作成立体宣传视频或者立体实景模型放在网页上供人浏览。
三维激光影像扫描技术实施步骤，第一步配合服务公司进行现场的激光扫描工作，洛伽山海总面积为0.36平方公里，工作时间约5天，工作人员5人；第二步对扫描得到的数据进行处理，使之能够导入BIM软件；第三步根据现有图纸建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光扫描优化BIM模型。后期制作约10天时间，整个过程约需要15天左右的时间。
经过测量洛伽山灯塔精确数据如下：本体建筑坐北朝南，占地面积约12平方米，总高8.835米。基座平面呈圆形，直径为3.8米，高约0.54米。塔身为砖结构的圆台形建筑，下底面直径为3.1米，上底面直径为2米，高为4.85米，外饰红白相间带状横纹，辟有一门二窗；内沿塔体置铸铁盘旋式楼梯通塔身顶部的平台。平台上置灯笼，外围圆环形带铁栏杆的回廊。笼身分为上下两部分，下部为钢质笼壁，呈圆柱形，直径为2米，高1.2米，饰白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最长对径为1.8米，边长0.72米，高1.1米。笼顶为钢质，呈穹顶状，顶正中心设避雷针。
结束语
相对于传统的测绘，三维激光影像扫描不仅大量节约时间与人力，而且采集的点云数据可以直接生成三维点云模型，作为电子数据永久存档，对进行后续环节的工作开展提供了准确详实的数据支撑，能显著提高后续工作的效率和质量。
洛伽山灯塔入选“国保”提升这座百年灯塔在全国知名度，三维激光影像扫描技术制作立体模型及视频使它的历史价值、文化遗产价值和社会价值更广泛的得到宣传、保护、和发展。（作者单位：宁波航标处）
摘 要：保灯塔建设年代久远普遍缺乏地形地貌测量资料、建筑结构详图，给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。使用三维激光影像扫描技术，将洛伽山灯塔的三维数据完整的采集到电脑中，快速重构出灯塔及附属建筑物的空间立体模型，从而快速绘制塔区平面图和建筑物结构详图。
关键词：三维激光影像 扫描技术 洛伽山灯塔
洛伽山灯塔位于浙江省舟山市普陀区境内的洛伽山岛的北面，灯塔始建于清光绪十六年即1890年，1931年改建，2013年入选第七批全国重点文物保护单位。灯塔采用青石砌成，塔身为红白横带圆塔，塔高为7米，灯高为40米，灯质为闪（3）红、白9秒，红光射程约7.5海里，白光射程约15海里。由于灯塔年代久远缺乏图纸资料，达不到全国重点文物保护单位相关要求。因地形地貌测量资料、建筑结构详图等缺乏给灯塔文物保护申请工作、日常维护保养、修缮工程带来困难。
三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，作为数字化三维信息采集手段可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，再现客观事物真实的形态特性。本文介绍通过采用三维激光影像扫描技术直接将洛伽山灯塔、附属建筑及所在岛屿的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出整个塔区的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。
全国重点文物保护单位对灯塔资料的相关要求
我国目前对于文物保护有《文物保护工程管理办法》、《中华人民共和国文物保护法实施条例》和《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》等法规，对于文物保护需要收集相关的基础数据资料，报告文化保护区范围内的地形图资料、建筑测量资料、色彩资料、表面精确资料等等。《文物保护工程管理办法》规定文物抢险加固工程、修缮工程、保护性设施建设工程的立项与勘察设计方案资料包括以下内容：拟立项目保护范围与建设控制地带的划定；保护工程必要性与实施可能性的件与形象资料（录像或照片）。《中华人民共和国文物保护法实施条例》第十一条规定文物保护单位的记录档案，应当包括文物保护单位本体记录等科学技术资料等内容。文物保护单位的记录档案，应当充分利用文字、音像制品、图画、拓片、摹本、电子文本等形式，有效表现其所载内容。
由于全国文物保护灯塔建设年代久远，受当时的技术限制普遍没有地形地貌资料和建筑尺寸图纸，在申报项目时候往往缺乏保护范围线与建设控制线，缺乏建筑物尺寸数据等技术资料，现在随着科学技术的发展，灯塔建立详细的数字资料数据库十分必要。
传统CAD测量绘图的局限性
目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据，即使建立低水平的细节CAD模型，也需要借助测量和其他方法，必须进行大量耗时的，成本高昂的，而且非常难测量。传统的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。这些重建方法一是建模精确不高，无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息，无法清晰表现纹理和材质。二是建模的工作量非常巨大。
三维激光影像扫描技术的介绍
三维激光影像扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术，通过高速激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其工作原理是将红外线激光束射到旋转光学镜的中心，该光学镜将使激光在围绕扫描环境垂直旋转的方向上产生偏差；之后，将周围对象的该点处的数据并对该点进行定位。散射光反射回扫描仪，其使用相位偏移技术测量距离，通过使用角度编码器测量镜像旋转和水平旋转，计算各点的 X、Y、Z 坐标。
三维激光影像扫描由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏以及拟补传统测量手段的测量死角，快速准确获取建筑三维数据，极大程度上丰富了三维数据展示的效果。
三维激光影像扫描技术为灯塔提供的技术资料
1、为文保划定“两线”提供地形地貌测量资料
《中华人民共和国文物保护法》规定，文物保护单位要划定保护范围和建设控制地带，即“两线”。其中第九条文物保护单位的保护范围，是指对文物保护单位本体及周围一定范围实施重点保护的区域。第十三条文物保护单位的建设控制地带，是指在文物保护单位的保护范围外，为保护文物保护单位的安全、环境、历史风貌对建设项目加以限制的区域。
2、为维护、修缮和抢修文物工程项目提供详细的测量尺寸资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》要求建立记录档案其中第二部分图纸、照片、拓片、摹本等。图纸包括地理位置图、总平面图；建筑群体和主要单体的平、立、断面图；历次重要维修的实测、设计、竣工图。扫描出来的数据模型不仅外形与实物一样，其包含所有的几何信息也与实物完全一致，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。三维点云数据可以导入到AutoCAD、Autodesk Revit等软件中，进行后续的处理与加工，并且可以在Autodesk Revit中通过捕捉点直接绘制生成几何体。
3、为文物宣传提供视听和影像资料
《全国重点文物保护单位保护范围、标志说明、记录档案和保管机构工作规范》建立记录档案其中第三部分电影片、录像、磁盘及其他信息载体等。三维激光影像扫描技术能在短时间内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，经过后期加工制作，可以制作成立体宣传视频或者立体实景模型放在网页上供人浏览。
三维激光影像扫描技术实施步骤，第一步配合服务公司进行现场的激光扫描工作，洛伽山海总面积为0.36平方公里，工作时间约5天，工作人员5人；第二步对扫描得到的数据进行处理，使之能够导入BIM软件；第三步根据现有图纸建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光扫描优化BIM模型。后期制作约10天时间，整个过程约需要15天左右的时间。
经过测量洛伽山灯塔精确数据如下：本体建筑坐北朝南，占地面积约12平方米，总高8.835米。基座平面呈圆形，直径为3.8米，高约0.54米。塔身为砖结构的圆台形建筑，下底面直径为3.1米，上底面直径为2米，高为4.85米，外饰红白相间带状横纹，辟有一门二窗；内沿塔体置铸铁盘旋式楼梯通塔身顶部的平台。平台上置灯笼，外围圆环形带铁栏杆的回廊。笼身分为上下两部分，下部为钢质笼壁，呈圆柱形，直径为2米，高1.2米，饰白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最长对径为1.8米，边长0.72米，高1.1米。笼顶为钢质，呈穹顶状，顶正中心设避雷针。
结束语
相对于传统的测绘，三维激光影像扫描不仅大量节约时间与人力，而且采集的点云数据可以直接生成三维点云模型，作为电子数据永久存档，对进行后续环节的工作开展提供了准确详实的数据支撑，能显著提高后续工作的效率和质量。
洛伽山灯塔入选“国保”提升这座百年灯塔在全国知名度，三维激光影像扫描技术制作立体模型及视频使它的历史价值、文化遗产价值和社会价值更广泛的得到宣传、保护、和发展。（作者单位：宁波航标处）
