基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑測繪研究
——以斗栱模型實驗為例

許 睿，李 鑫

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

古代木建筑是我國建筑發(fā)展歷程的重要見證，同時具有歷史、藝術(shù)和科學(xué)等多方面的研究價值，是新建筑設(shè)計與新藝術(shù)創(chuàng)作的借鑒實證。隨著信息時代新技術(shù)的發(fā)展，古建筑測繪出現(xiàn)了新的可能性，三維激光掃描技術(shù)成為古建筑測繪的全新方式，它拋棄了原有以二維平面圖紙為切入點的方式，將所有信息直接記錄到空間之中形成三維模型，再提取出二維的平面信息制成圖紙。

已有部分有關(guān)古建筑木構(gòu)件現(xiàn)代保護方式的研究在進行之中。王茹[1-2]側(cè)重于BIM技術(shù)在文物古建筑修繕工作中的應(yīng)用，在基于BIM技術(shù)的文物建筑模型的參數(shù)化研究方面取得了一定的成果；李舒靜[3]針對GIS技術(shù)開展重點研究，從服務(wù)文物保護工作層面出發(fā)，肯定了BIM技術(shù)可以彌補GIS技術(shù)在建筑單體、建筑構(gòu)件層次的不足，提出了“類型樹+結(jié)構(gòu)樹”的新型信息采集方法；劉茂華[4]基于點云數(shù)據(jù)，利用Revit軟件，通過IFC標準連接，將BIM數(shù)據(jù)與三維GIS數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)了室內(nèi)、外三維一體化模型的構(gòu)建，主要側(cè)重于現(xiàn)代建筑室內(nèi)、外環(huán)境的融合；石力文[5-6]研究了不同測繪技術(shù)在尺寸信息留取方面的利弊，并基于點云數(shù)據(jù)建立BIM模型來表達古建筑全生命周期信息；還有大量學(xué)者[7-10]在此方向上進行研究并得出一定成果。

本文對古建筑木構(gòu)件的三維激光掃描全過程進行研究，產(chǎn)生裝配式木構(gòu)件信息和整體三維斗栱模型，最終通過信息積累完成木構(gòu)件數(shù)據(jù)庫的搭建，對于后續(xù)工作具有指導(dǎo)意義。對古建筑進行激光測繪和三維重構(gòu)，在古建筑保護方面有很大的利用空間；對細部及裝飾受損的斗栱構(gòu)件進行原樣記錄，并生成還原度較高的模型，繼而分析因結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力導(dǎo)致的自我破損可能性，預(yù)防其坍塌或損毀；對典型斗栱構(gòu)件的尺寸、木種、搭接方式等進行記錄，作為與建筑或構(gòu)件相匹配的留存檔案。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方法

實驗選取斗栱模型作為研究對象，利用三維激光掃描儀進行對象的掃描實驗，獲取高精度的三維激光掃描模型和詳盡的點云數(shù)據(jù)，之后通過軟件平臺處理優(yōu)化掃描結(jié)果，生成最終的數(shù)字化三維模型文件并存檔保留（圖1）。

1.2 實驗材料

斗栱是中國古建筑特有的一種木構(gòu)件（圖2）。對古建筑木構(gòu)件來說，斗栱整體內(nèi)部構(gòu)件有各個分類，拼裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力等各方面均體現(xiàn)了古代的科學(xué)理論，具有保護研究價值。模型構(gòu)件參照營造法式的記載，用宋式“五輔作單抄單昂柱頭輔作偷心造”斗栱為例，整理出一整套宋式斗栱的尺寸樣式模板，再通過激光切割機和人工打磨等多重工序，用原始木料制作出各個構(gòu)件。制作出等比例斗栱構(gòu)件，共23個單體，包括櫨斗、散斗、交互斗、泥道拱、泥道慢栱、華栱、內(nèi)檐令拱、外檐令拱、內(nèi)檐耍頭、外檐耍頭、柱頭枋、內(nèi)檐羅漢枋、襯頭枋、下昂。根據(jù)自下而上的掃描順序進行編號處理，1～23的數(shù)字編號方式利于同種構(gòu)件的區(qū)分和后續(xù)的查閱。

1.3 實驗設(shè)備

實驗外接設(shè)備：HandySCAN-700便攜式3D掃描儀。設(shè)備工作原理：掃描儀不斷對目標發(fā)射激光，投射到對象上的激光隨對象形狀發(fā)生變形，在掃描時，攝像頭拍攝該形狀并開始計算，自動生成表面，最終形成完整的掃描模型。HandySCAN-7003D掃描儀詳細參數(shù)。掃描原件：CDD。掃描范圍：0.1～4 m。掃描介質(zhì)：立體物品。掃描速度：480 000次測量/秒。掃描光源：7束交叉激光線。激光類型：2級（對人眼安全）。儀器尺寸：122 mm×77 mm×294 mm。儀器質(zhì)量：0.85 kg。儀器接口：USB3.0。儀器精度：最高0.03 mm。工作溫度：5～40℃。工作濕度：10%～90%。拼接模式：手動/全自動拼接。

實驗設(shè)備銜接軟件：VXelements軟件平臺。軟件與掃描儀器相連接進行實時的表面生成運算，可在軟件平臺及時觀測掃描成果。此外還應(yīng)觀察細節(jié)性的不足與漏洞，以便及時進行修補。最終通過平臺保存成果性的STL點云文件，為后續(xù)分析工作提供數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。

1.4 實驗過程

實驗室利用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建出斗栱木構(gòu)件的三維點云模型。三維激光掃描儀可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進行細致掃描操作，將各種實體的三維數(shù)據(jù)直接完整采集到電腦中，進而快速重構(gòu)出目標的三維模型并獲取各種制圖數(shù)據(jù)。

1.4.1 實驗對象處理

在掃描實驗過程中，木構(gòu)件定位由三角實時測量確定，因此掃描儀無須任何外部定位系統(tǒng)。由于三角測量本身具有定位功能，在掃描前必須對每個木構(gòu)件進行預(yù)先處理，在木構(gòu)件的表面做反射標記，利用參照物與木構(gòu)件上的固定點位反射標記，三角測量功能可在體積和空間上提供掃描儀和木構(gòu)件的相對位置（圖3）。根據(jù)原理和實際情況，本次實驗選取黑色輪廓標點作為空間定位標記，將標記的點片粘貼到各個構(gòu)件的不同面。

定位點在粘貼過程中需要注意的事項：①標點可使系統(tǒng)在空間自定位且必須應(yīng)用于平坦表面，例如平面或者大面積的曲面；②標點與邊之間的距離最好為12 mm以上。面積過小時可在環(huán)境中粘貼輔助標志點；③標志點之間的距離為2～10 mm，任意3點都不是正三角形關(guān)系；④掃描物體在移動時，應(yīng)保證有4個相對固定的公共點位可提供空間相對位置。

1.4.2 掃描獲取數(shù)據(jù)

(1)掃描儀校準（圖4）。VXelements軟件平臺包含用于優(yōu)化掃描儀校準的應(yīng)用程序，將掃描儀連接上后通過對校準板的掃描，可利用該應(yīng)用程序優(yōu)化校準，完成初步調(diào)試。

(2)掃描儀配置（圖5）。由于每個被掃描物體表面反射屬性不同，需要調(diào)節(jié)參數(shù)，以獲得激光線的最佳探測。根據(jù)待掃描對象的掃描表面類型來配置激光功率和攝像頭快門時間。

(3)激光掃描。HandySCAN-7000掃描儀在調(diào)試完畢后，被用于進行三維激光掃描工作（圖6、圖7）。掃描將激光投射到構(gòu)件表面并緩慢穩(wěn)定的移動儀器。通過激光在掃描對象表面的攝像頭探測，不斷形成表面模型，再通過之前黏附在木構(gòu)件表面的標靶點形成空間上的定位；穩(wěn)定移動掃描儀，表面模型獲取范圍不斷增加，最終形成一個與掃描木構(gòu)件等比例的三維空間點云模型。

第一，合理規(guī)劃兩種放置情況。要對物體進行全方位的掃描，應(yīng)在頂部與四周掃描完成后，改變物體放置方式，翻轉(zhuǎn)后補充掃描底面，兩個擺放位置的掃描路徑恰好是兩個互補的半球面，從而確保物體表面都被掃描覆蓋。

第二，將一整圈合理劃分為4個連續(xù)區(qū)域，角度0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°。依次對這4個區(qū)域進行掃描，在完成第4個270°～360°角度區(qū)域后再與第一個0°～90°角度區(qū)域進行銜接，以保證掃描的延續(xù)性。在此過程中不斷提升高度，從圓形環(huán)帶逐步形成半球面的掃描范圍（圖8）。

第三，翻轉(zhuǎn)掃描對象，將第二步重復(fù)進行一次，完成表面缺失部分的掃描。

第四，查看掃描結(jié)果并補充，通過VXelements軟件平臺查看掃描實時結(jié)果的完成度，如有掃描遺漏或不完善部分，可以及時進行補充完善。

(4)編輯輸出。在VXelements軟件平臺內(nèi)在編輯掃描的操作中框選刪除明顯雜質(zhì)，完成初步編輯來減輕后續(xù)工作。最后將模型的空間網(wǎng)格導(dǎo)出，存儲為STL格式文件，留存有三維的空間表面模型和各類數(shù)據(jù)信息。

1.5 文件保存

將所有的掃描內(nèi)容經(jīng)過VXelements軟件平臺的初步處理，最后留存有23個小型木構(gòu)架的掃描模型和一個整體斗栱的掃描模型，一共24個STL格式的文件，這些文件作為重要的過程資料應(yīng)該得到保留，以防備在后繼出現(xiàn)問題時可以在步驟中發(fā)現(xiàn)并進行彌補。

2 結(jié)果處理與分析

2.1 結(jié)果處理

前期的掃描已經(jīng)生成初步的STL格式三維掃描模型，共有1個整體模型和23個木構(gòu)件模型，這些文件只是經(jīng)過基本的處理，還需要更加系統(tǒng)的整理優(yōu)化。后續(xù)利用到Geomagic Wrap3D建模數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描結(jié)果進行細致的優(yōu)化和處理。

2.1.1 處理流程

由于對保留結(jié)果的高精度要求，經(jīng)過軟件處理后的點云模型的會更加細致。具體的操作流程分為點階段、點云注冊、多邊形階段、導(dǎo)出文件4個階段，并在各個階段下進行多個細節(jié)性操作。

2.1.1.1 點階段

以斗栱整體的掃描結(jié)果為例進行此階段的敘述。①著色點：為了更加清晰、方便地觀察點云形狀，將斗拱表面點云進行著色，還原木質(zhì)形象。②統(tǒng)一采樣：在保留物體原來面貌的同時減少點云數(shù)量，便于刪除重疊點云、稀釋點云。③減少噪點：該命令有助于減少在掃描中的噪音點到最小，更好地表現(xiàn)真實的斗栱形狀。④體外孤點：該命令表示選擇任何超出指定移動限制的點，去除孤立的點云從而保留斗栱本身。⑤非連接項：該命令表示選擇偏離主點云的數(shù)據(jù)。⑥聯(lián)合點對象：該命令可將多個點云模型聯(lián)合為一個點云，便于后續(xù)的采樣、封裝等。⑦封裝：該命令將點轉(zhuǎn)換成三角面（圖9）。

2.1.1.2 點云注冊

①手動注冊：將23個木構(gòu)件同時導(dǎo)入，尋找共有位置點，通過點將兩片點云進行簡單的手動對齊拼接。②全局注冊：對點云進行重定義對齊，通過軟件利用點位自動對齊。③合并：將多個點云數(shù)據(jù)直接封裝為一個多邊形單體模型（圖10）。

2.1.1.3 多邊形階段

以1號構(gòu)件櫨斗為例進行此階段的敘述。①填充孔：填充未封閉的孔洞，掃描完成后櫨斗邊角位置有很多的孔洞，進行填充及修補；②松弛/砂紙：松弛針對整個模型將表面的小三角面處理平整，而砂紙用于局部的材質(zhì)凹凸優(yōu)化使其更加接近真實效果；③去除特征：刪除選擇的多余三角形，或者去除特殊部分，盡量只保留櫨斗本體；④網(wǎng)格醫(yī)生：自動修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的所有問題，例如大量三角面形成的釘狀物或自相交面；⑤編輯邊界：修改多邊形模型的邊界；⑥簡化：減少三角面的數(shù)量但不影響曲面的形狀或顏色，可以大大減小文件的無效數(shù)據(jù)量（圖11）。

2.1.1.4 導(dǎo)出文件

通過以上步驟完成對掃描數(shù)據(jù)的處理，在管理器面板中右鍵點擊模型，選擇“保存”，彈出保存對話框，輸入文件名，保存類型選擇STL或其他格式，點擊保存按鈕即可完成模型導(dǎo)出（圖12）。

2.1.2 處理結(jié)果

初步的掃描結(jié)果通過Geomagic Wrap軟件平臺得到細致的加工，得出完善的STL格式封裝文件，作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息化文件保存下來。整體模型經(jīng)過處理，各種漏洞得到填補，不同因素造成的孤點得到清理，附著雜點得到刪除，最終留存下一個完整的斗栱實物掃描STL成果文件（圖13）。分解掃描的木構(gòu)件相較于整體模型得到同樣處理的同時，還進行了各個木構(gòu)件在軟件平臺內(nèi)的拼接搭建，按照實體的搭建方式將數(shù)據(jù)模型融合在一起，形成一個更加細致合理的虛擬斗栱整體模型。兩種整體各有優(yōu)勢，整體掃描可以完整記錄實體的情況，從而方便文物研究；虛擬的搭建模型則可以為后續(xù)的研究提供搭接的最優(yōu)解，實現(xiàn)保護修繕的最優(yōu)化處理。

2.2 結(jié)果分析

實驗整體過程結(jié)束，留存大量的STL格式的三維激光掃描文件，對于斗栱形成了系統(tǒng)且詳盡的數(shù)據(jù)信息化記錄，是一次較為完整的古建筑木構(gòu)件三維掃描實驗。結(jié)果及過程中對之前了解的三維掃描進行了很好的實例驗證，也通過具體操作反思了過程中的不足和欠缺，為進一步推進指明了方向。

2.2.1 優(yōu)勢論證

(1)非接觸式測量的巨大優(yōu)勢。本次實驗選取宋式斗栱木構(gòu)件，肢體觸碰過程的汗?jié)n侵蝕以及標尺的不斷晃動，必然會對材質(zhì)的表面造成磨損，對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。三維激光掃描只需要遠距離的測繪即可，不會對掃描木構(gòu)件產(chǎn)生破壞。對于一些場地無法靠近或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜角度刁鉆的高難度古建保護項目來說，這一新型技術(shù)手段克服了其中的困難。

(2)完整記錄三維信息。全站儀結(jié)合近景攝影測量的方式能夠?qū)崿F(xiàn)文物的數(shù)字化，但無法精確全面地將文物信息記錄下來，三維激光掃描技術(shù)彌補了這一缺點，記錄的信息在精度和密度上都有所提升，而且形成具象的斗栱三維表面模型，為后續(xù)的破損改善工作提供數(shù)據(jù)支持。

(3)精確定位并記錄構(gòu)件的材料紋理與表面破損（圖14、圖15）。手動人工測量結(jié)合正向數(shù)據(jù)建模，這種方式只能做出體積等大體上的信息記錄。通過三維激光掃描，能夠?qū)⒛緲?gòu)件的表面風化程度等細節(jié)性信息都完整記錄下來，能夠掃描原始木料本身的破損位置和程度。上述問題能夠在三維表面模型中空間定位并展示，是古建筑保護的重要細節(jié)性信息。

2.2.2 實驗過程反思

(1)掃描過程的規(guī)范化操作。由于是手持掃描儀，掃描對象是體量較小的木構(gòu)件，掃描過程中對于手的穩(wěn)定程度有著極高的要求，同時激光攝入角度和掃描儀工作距離等各類因素都會影響激光的投放射入與數(shù)據(jù)的回收采集，微小誤差就會造成大量體外雜點和表面漏洞，甚至導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)的紊亂和工作量的增加，仍需不斷地總結(jié)掃描過程中的操作經(jīng)驗，找到合理的掃描方式。

(2)點云數(shù)據(jù)模型與常用幾何模型的完全對接。點云數(shù)據(jù)整理后形成三維掃描模型的STL文件，留存有空間具象的木構(gòu)架信息，但是現(xiàn)階段工程項目中還是以平立剖等傳統(tǒng)圖紙為主要使用工具。所以點云數(shù)據(jù)模型文件和幾何模型文件的對接十分關(guān)鍵，將二者之間的橋梁打通，能夠方便地將STL與DWG、SKP等類型文件在同一平臺內(nèi)完成自由切換，減去不同處理軟件切換的復(fù)雜過程，才能讓三維激光掃描真正的應(yīng)用到實際項目中去。

3 結(jié)束語

(1)隨著新興技術(shù)的融入，古建筑保護方式開始轉(zhuǎn)變。木構(gòu)件信息化是古建筑保護發(fā)展的必經(jīng)之路，三維激光掃描技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)化信息模型正是改變古建筑保護方式的開端。通過對三維激光點云數(shù)據(jù)收集技術(shù)進行研究，以期將其銜接到古建筑木構(gòu)件的信息化處理過程中去，并對古建筑保護工作起到一定的指導(dǎo)作用。

(2)三維激光掃描如今仍處于初始階段，掃描過程中的高效率和高精度是關(guān)鍵。在進行掃描時，可利用深色背景吸收激光射線，從而隱藏掉木構(gòu)件之外的雜質(zhì)。掃描過程最后需要對棱角處進行補充掃描，以保證掃描結(jié)果的完整性，需要類似經(jīng)驗性問題進行不斷總結(jié)，以便使掃描結(jié)果更加高效精準。

(3)通過三維激光掃描測繪得出信息化結(jié)果文件，這些文件留存的數(shù)據(jù)信息極其重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該對這些數(shù)據(jù)進行保留的同時繼續(xù)進行研究，使其在古建筑保護工作的各個過程中充分發(fā)揮作用。例如，古建正逆向建模、古建筑BIM應(yīng)用、古建筑裝配式、結(jié)構(gòu)分析預(yù)測、古建筑智能建造和古建筑3D打印等。