基于三維激光掃描技術的傳統建筑測繪案例與圖解

登古城、訪書院、尋文脈……黨的十八大以來，習近平總書記對于探尋中華文明、守護中華文化始終飽含深情。2014 年2 月25 日，習近平總書記在首都北京考察工作時強調，“歷史文化是城市的靈魂，要像愛惜自己的生命一樣保護好城市歷史文化遺產?！?
傳統建筑承載著不可再生的歷史信息和寶貴的文化資源，將其保護好也就是保存了城市的文脈，保存了歷史文化名城無形的優良傳統，具有重要的歷史價值。
為貫徹落實習近平總書記關于文化遺產保護的重要指示精神，落實國家和各省關于開展歷史建筑測繪建檔三年行動計劃的工作要求，全面推進傳統建筑數字化測繪工作，有利于保護城鄉歷史文化遺存，延續城鄉歷史文化脈絡，保護中華文化基因，促進城鄉高質量發展。另外，傳統建筑測繪是建筑歷史與理論研究和傳統建筑保護的重要基礎，也是測繪科學與技術水平提升和應用推廣的重要領域。正是基于此，作者帶領團隊多年以來緊緊圍繞傳統建筑數字化保護需求、測繪新技術應用等方面開展理論、方法研究工作，并結合工程案例進行技術攻關，建立了一些傳統建筑測繪的技術體系與方法。本書系統地闡述了作者及其團隊在三維激光掃描技術、傳統建筑測繪等領域的研究積累，尤其是傳統建筑點云數據采集、處理以及數字化成圖等方面的研究成果，盡可能梳理基于三維激光掃描技術開展的傳統建筑測繪與制圖技術以及知識體系，為研究人員、教師、本科生、研究生等相關人員提供有益的參考與借鑒。
作者撰寫本書時，較為全面地梳理了國內外最近的三維激光掃描技術、傳統建筑測繪研究進展與成果，力爭做到內容新穎、通俗易懂。本書內容共8 章，各章內容相對獨立，同時具有內在的邏輯和關聯，使得全書整體不失系統性。第1、2、7、8 章主要由施貴剛、謝益炳、魏旭負責編寫，第3 章主要由楊琪、徐欽國編寫，第4 ～ 6 章主要由裴媛媛、鐘杰、左光之編寫。
安徽建筑大學的金乃玲、賈尚宏、劉仁義、孫靜、高旭光、廖振修，廣州市城市規劃勘測設計研究院的王峰，中鐵四局集團有限公司的楊琪、徐欽國、劉葉偉，華匯工程設計集團的謝益炳，上海滬敖信息科技有限公司的崔云峰、黃輝等參與撰寫了書中的部分章節，或提供有益建議或提供重要資料，在此表示由衷感謝。
本書相關工作的完成得到如下項目或研究平臺的資助或幫助：安徽省高校省級自然科學研究重大項目“空地一體數字化測繪新技術應用研究——以金寨縣傳統村落與建筑遺存調查為例（編號：KJ2019ZD53）”；安徽省住房城鄉建設科學技術計劃項目“基于BDS3/LiDAR 的橋梁變形監測關鍵技術研究（編號：2021-YF17）”；安徽省鄉村振興研究院；中國中鐵四局集團有限公司；安徽省高校省級自然科學研究項目“‘鄉村大腦’智慧平臺關鍵技術研究（編號：KJ2020A0457）”。
鑒于作者的專業水平和實踐經驗有限，書中難免有不當之處，還請廣大讀者和同行專家批評指正。

施貴剛　
2023 年11 月

施貴剛
安徽建筑大學教授，博士，研究生導師。
中國測繪學會教育工作委員會委員，國際數字地球學會中國國家委員會激光雷達專業委員會委員，中國民族建筑研究會會員。研究方向為攝影測量與遙感，主要從事激光雷達、空間信息處理、歷史建筑數智化等方面的研究，以及相關技術應用推廣工作。主持或參與完成國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、國防科工委、安徽省教育廳、安徽省科技廳、市縣政府委托等多項重要項目，發表學術論文18篇，獲授權發明專利5項、軟件著作權6項，獲省科技進步一等獎、三等獎各1項，市科技進步一等獎1項，行業學會科技進步一等獎1項。

本書圍繞傳統建筑測繪方法、傳統建筑測繪內容、三維激光掃描技術、基于點云數據傳統建筑平、立、剖面圖制作等方面，結合工程案例，進行了系統性闡述，為傳統建筑數字化建檔和點云數據工程化應用提供理論與方法的指導，是基于三維激光掃描技術開展傳統建筑測繪方面比較系統性的專著。
本書可作為測繪、地理信息、遙感科學、建筑遺產數字化等領域本科生、研究生參考教材，也可作為高校、研究機構、高科技企業等研究人員或業余愛好者的參考用書。

第1章　緒論 1
1.1　傳統建筑測繪概述1 
1.1.1　傳統建筑測繪意義1
1.1.2　傳統建筑狀況分析3
1.1.3　建筑測繪技術發展歷程8
1.2　傳統建筑測繪類別與層次10
1.2.1　傳統建筑類型10 
1.2.2　傳統建筑測繪層次10
1.3　傳統建筑測繪內容和方法11
1.3.1　傳統建筑測繪內容11
1.3.2　傳統建筑測繪方法11
1.4　傳統建筑測繪新技術16
1.4.1　三維激光掃描技術16
1.4.2　傾斜攝影測量技術18
1.4.3　空地一體測繪技術19
1.5　傳統建筑三維激光掃描技術應用研究19 

第2章　三維激光掃描技術 24
2.1　概念及分類24 
2.1.1　激光雷達簡介24 
2.1.2　激光雷達分類25 
2.2　三維激光掃描測量設備29
2.3　三維激光掃描測量原理30
2.3.1　三維激光掃描儀基本構造31 
2.3.2　三維激光掃描儀測量原理31 
2.3.3　儀器驅動與數據處理軟件33 
2.4　三維激光掃描作業方法34
2.4.1　外業數據采集34 
2.4.2　內業數據處理37 
2.4.3　質量控制40 
2.4.4　成果歸檔40 

第3章　點云數據處理關鍵技術 41
3.1　點云數據概述41 
3.2　點云數據類別與文件組織42
3.2.1　點云數據類別42 
3.2.2　點云數據文件組織44
3.3　點云數據去噪45
3.3.1　點云數據的噪聲來源45
3.3.2　點云數據的噪聲類別46
3.3.3　點云數據去噪國內外研究46 
3.3.4　點云數據去噪技術49
3.4　點云數據配準59 
3.4.1　點云數據配準的基礎原理60 
3.4.2　點云數據配準方法分類61
3.4.3　點云數據配準技術國內外研究63 
3.4.4　點云數據配準技術66
3.5　點云數據的精簡80 
3.5.1　點云數據精簡原理與方法分類80 
3.5.2　點云數據精簡技術國內外研究81 
3.5.3　點云數據精簡技術85
3.6　點云數據分類分割95 
3.6.1　點云數據分類分割方法類別96 
3.6.2　點云數據分類分割技術國內外研究96 
3.6.3　點云數據分類分割技術99
3.7　點云數據特征提取103 
3.7.1　點云數據特征提取方法類別103 
3.7.2　點云數據特征提取國內外研究104
3.7.3　點云數據特征提取技術106 
3.8　基于點云數據三維建模111 
3.8.1　基于點云數據三維建模方法類別112 
3.8.2　基于點云數據三維建模國內外研究112 
3.8.3　基于點云數據三維建模技術114 

第4章　傳統建筑測繪內容 117
4.1　傳統建筑分類117 
4.2　傳統建筑構造知識119 
4.2.1　單體傳統建筑的基本構成特征119 
4.2.2　裝飾123 
4.2.3　傳統建筑布局124 
4.3　傳統建筑測繪內容及圖紙表達125 
4.3.1　總平面125 
4.3.2　平面128 
4.3.3　立面130 
4.3.4　剖面133 
4.3.5　俯視圖136 
4.3.6　仰視圖136 
4.3.7　建筑詳圖137 
4.3.8　附屬文物139 

第5章　傳統建筑測繪 140
5.1　測繪目的及內容確定140 
5.2　傳統建筑測繪技術設計141 
5.2.1　技術設計依據141 
5.2.2　技術設計原則141 
5.2.3　技術設計142 
5.3　傳統建筑測繪前的準備工作145 
5.4　基于三維激光掃描技術傳統建筑測繪148 
5.4.1　控制測量148 
5.4.2　草圖繪制152 
5.4.3　靶標與掃描站點布設154 
5.4.4　點云數據掃描測繪157 

第6章　傳統建筑測繪制圖標準 169
6.1　制圖標準170 
6.1.1　制圖比例要求170 
6.1.2　制圖內容要求170 
6.1.3　計算機制圖要求174 
6.2　測繪內容轉化CAD180 
6.2.1　現狀正射點云圖轉化CAD181 
6.2.2　三維模型轉化CAD182 
6.2.3　BIM模型轉化CAD183 
6.2.4　深度學習轉化CAD185 
6.3　制圖方法185 
6.3.1　制圖基礎185 
6.3.2　點云切片與旋轉186 
6.3.3　平立剖繪制187 

第7章　傳統建筑測繪案例與制圖 189
7.1　皖西某傳統民宅建筑測繪與圖紙制作189 
7.1.1　皖西某傳統民宅建筑測繪任務189 
7.1.2　三維激光掃描測繪189 
7.1.3　電子圖紙制作196 
7.2　皖西某傳統建筑平立剖圖生成213 
7.2.1　某地鄧氏宗祠213 
7.2.2　某傳統民居群217 
7.2.3　某涼亭225 

第8章　總結與展望 231

參考文獻 235