基于三維掃描對特色古建筑數(shù)字化保護技術(shù)研究

蔡志文

（閩南理工學(xué)院，泉州 362700）

古建筑延續(xù)了歷史文脈，是人類文明的載體。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，古建筑的價值逐漸受到人們的高度重視，對于古建筑必須采取積極地手段、先進的技術(shù)進行保護和利用。

1 古建三維激光掃描儀

Focus S350是目前古建筑數(shù)據(jù)化保護過程中經(jīng)常使用的重要儀器之一，具有顯著的運用優(yōu)勢。

1.1 應(yīng)用廣泛

Focus S350操作簡單，設(shè)計緊湊，完美適應(yīng)于各種應(yīng)用，包括工廠工業(yè)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)記錄，存儲罐體以及文物保護等[1]。

1.2 精確快捷

Focus S350以97.6萬點/秒的速度構(gòu)造一個精確到毫米級的真實世界的三維數(shù)據(jù)[1]。

1.3 操作簡單

Focus儀器本身內(nèi)置電池，操控系統(tǒng)，配備直觀的觸控大屏，因此可以像使用一臺數(shù)碼相機一樣簡單的操作。能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)合較為復(fù)雜的古建筑多個角度的數(shù)據(jù)采集[2]。

1.4 緊湊便攜

世界目前最小，最輕便的三維激光掃描儀，重量僅為4.2kg，F(xiàn)ocus S系列激光器如此小巧便攜，可以帶到任何地方。在古建筑數(shù)據(jù)采集方面運用價值顯著。

2 古建三維激光掃描在特色古建筑保護中的運用價值

傳統(tǒng)的古建測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙以及一些文字錄。三維激光掃描技術(shù)是通過高密度的掃描點來表達和記錄被測物體尺寸和形態(tài)的技術(shù)，點云數(shù)據(jù)是最為原始的測量數(shù)據(jù)，被測物體的三維幾何信息都蘊含在點云數(shù)據(jù)中。立體模型可構(gòu)建三維數(shù)字模型，作虛擬現(xiàn)實和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類工程圖、結(jié)圖、切面圖等。

三維激光掃描采用非接觸式的測量方式，具有快速、精確、多方位、“所見即所得”等特點，為古建筑提供了具有革命性的方法。三維激光影像掃描能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數(shù)據(jù)，將所測量的對象進行1∶1的實景復(fù)制三維成型，由傳統(tǒng)的實地野外手工測量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計算機對點云數(shù)據(jù)的高精度測量[3]。

全面的古建筑模型信息可以幫助研究人員更加深入地研究古建筑的結(jié)構(gòu)、藝術(shù)價值、營造方法。在古建修繕工作中，進行準確、全面的現(xiàn)狀測量是分析結(jié)構(gòu)變形和繪制設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)工作。掃描數(shù)據(jù)的高密度、可視化、三維數(shù)字化為測量以及修復(fù)提供了更加精確更加完善的依據(jù)。

3 三維掃描等數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護中的運用策略

在目前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，對古建筑保護提供了有效方式，在古建筑相關(guān)資料的采集、存取、轉(zhuǎn)化以及處理等層面上均可運用，為古建筑保護提供了一定的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。在計算機的運用之下能夠?qū)p害的文物進行有效修復(fù)，在數(shù)字化技術(shù)的運用之下，建立對古建筑的一種新的保護方式。

3.1 運用三維激光掃描技術(shù)

在古建筑的保護過程中，工作人員可以運用三維激光掃描技術(shù)對古建筑的特征信息進行記錄，以此促進古建筑的三維數(shù)據(jù)處理[4]。

在古建筑三維技術(shù)運用過程中可以采用全球定位系統(tǒng)、測量機器人、全站儀、近景拍攝測量等等現(xiàn)代技術(shù)，對古建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)達到最大化地測量。在對古建筑的工作現(xiàn)場進行探查過程中采用三維激光掃描 技術(shù)，對其表面的各個數(shù)據(jù)點進行依次掃描與測量，依次得到精度較高的三維坐標點云數(shù)據(jù)。

將采集得到的各個數(shù)據(jù)點輸入至電腦之中，即時存儲，并據(jù)此構(gòu)建古建筑實體三維模型。對其表面裂紋進行分析，判斷激光往返折射的時間，采用現(xiàn)代化軟件，對古建筑的相關(guān)信息進行記錄。以此提升工作人員的工作效率，并為古建筑的文化保護與宣傳提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 對古建筑的三維空間采集

在古建筑三維數(shù)據(jù)處理的重要前提是三維空間數(shù)據(jù)的采集。四川樂山文廟建筑是四川省內(nèi)具有重要價值的建筑，具有15 m梁高，殿內(nèi)柱子較多，遮擋較為嚴重，掃描難度較大，在掃描過程中要求優(yōu)化站點布置。建筑內(nèi)具有較為復(fù)雜的柱礎(chǔ)石雕等構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)，要求使用具有較高精度的儀器。在對其進行三維數(shù)據(jù)掃描過程中運用 RTK 在建筑外部設(shè)置控制點，在建筑內(nèi)部設(shè)置了全站儀，地面掃描中運用的主要儀器是Z + F IMAGER 5010C 高精度三維激光掃描儀，在數(shù)據(jù)采集過程中要求能夠獲取較為全面的三維空間數(shù)據(jù)，主要在柱子中間設(shè)置站點，要求相鄰兩個站點的數(shù)據(jù)重合率能夠達到20%-30%。數(shù)據(jù)拼接靶標點可以選擇磁性旋轉(zhuǎn)靶標或紙質(zhì)靶標，設(shè)置 4 ～5個靶標點，提升數(shù)據(jù)采集的精確性。靶標點三維坐標的測量上可以運用高精度全站儀。在建筑頂部數(shù)據(jù)獲取層面上采用搭設(shè)腳手架方式，在對部分遮擋區(qū)域數(shù)據(jù)采集上運用手持式三維激光掃描儀。

4 古建筑數(shù)據(jù)處理過程

4.1 點云去噪

由于一些自然以及人文因素的存在，在三維激光掃描過程中存在著一些干擾噪音，例如人員走動以及樹葉被風吹動的聲音等，為了提升數(shù)據(jù)處理的精確性，減少數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，要求對數(shù)據(jù)進行有效的去噪處理[5]。

可運用點云過濾算法等，在具體的運用過程中單純采用某一算法往往難以達到有效的去噪效果，以此可以綜合采用手動去噪方法，并運用 LaserControl軟件的濾波功能。

4.2 數(shù)據(jù)拼接

在不同站點掃描數(shù)據(jù)的拼接方面可運用的方式進行，可在三維視圖中找到一個相應(yīng)的掃描站點的標靶，在有效識別之后建立對標靶三維坐標進行拼接處理。

在相關(guān)軟件的運用之下，可將點云進行色彩化處理。以此實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理，并將其進行有效存儲，對古建筑建立仿真三維數(shù)據(jù)化檔案。在檔案中保存古建筑的三維空間以及紋理色彩。同時也可將其運用到古建筑的宣傳展示以及修繕設(shè)計過程之中。

5 運用三維掃描技術(shù)進行數(shù)字化保護

5.1 構(gòu)建三維模型

在對古建筑的保護、修復(fù)以及宣傳展示過程中需要全面掌握古建筑的表面特征以及紋理信息?？衫萌S掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建三維仿真模型，運用 ASCII 碼格式在數(shù)據(jù)庫中輸入古建筑的點云數(shù)據(jù)。在人機交互作用之下剔除噪音點，并填補其漏洞，之后對數(shù)據(jù)進行平滑處理，構(gòu)建三角格網(wǎng)。在擬合曲面以及柵格的構(gòu)造之下生成三維模型。

5.2 輔助修繕設(shè)計

古建筑保護過程中的一項重要工作之一即是對其的修繕作業(yè)，具有大量的空間設(shè)計數(shù)據(jù)，具有較高的精度要求。在相關(guān)點、面、線數(shù)據(jù)的提取方面可運用三維激光點云數(shù)據(jù)，并結(jié)合古建筑的保護需求制作立面、平面以及剖面圖件等。

6 結(jié)束語

在對古建筑的宣傳保護方面激光掃描技術(shù)發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)較為準確地記錄，促進數(shù)據(jù)存檔，同時也對古建筑的修繕提供了更多的數(shù)據(jù)支持方式，為其提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，在信息獲取上具有全面性以及無接觸式的特征。在古建筑的保護以及修繕過程中可以對此充分利用。