三維激光掃描技術(shù)在文物建筑測繪中的應(yīng)用探討

付崇侖

摘? 要：通常文物建筑都具有較高的研究價值，可以對建筑發(fā)展史的研究工作起到重要影響，因此做好文物建筑保護工作具有非常重要的意義。目前，在文物建筑保護工作中常采用三維激光掃描技術(shù)對文物建筑進行測繪，為了讓三維激光掃描技術(shù)在文物建筑測繪中得到更好的應(yīng)用，本文對相關(guān)的概念進行了介紹，分析了三維激光掃描技術(shù)的原理、特點及其在文物建筑考古工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：文物建筑? ?三維掃描 技術(shù)? ?考古? ?3D模型

中圖分類號：P234? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Generally， cultural heritage buildings have high research value and can play an important role in the research of architectural history， so it is of great significance to do a good job in the protection of cultural heritage buildings. Currently working in the protection of cultural relics architecture in this 3D laser scanning technology to surveying and mapping of cultural relic buildings， in order to make 3D laser scanning technology to get better application in the building of surveying and mapping of cultural relics， this paper introduces the related concepts， analyzes the principles and characteristics of 3D laser scanning technology and its application in archaeological work a historical building.

Key Words： Cultural relics architecture; 3D scanning; Technology; Archaeological; The 3D model

我國歷史悠久，經(jīng)過幾千年的歷史變革，遺留下許多的文物建筑，而這些文物建筑都凝結(jié)了古人的智慧，也從不同角度反映了不同歷史時期人類的社會活動與文化，因此做好文物建筑的保護工作非常重要。目前，文物建筑的保護工作中三維激光掃描技術(shù)使用非常廣泛，能夠保證建筑的完整性，提高數(shù)據(jù)的準確性，以其快速、非接觸、高密度、數(shù)字化的優(yōu)勢滿足了文物建筑保護的測繪需求，能夠更加真實地還原文物建筑的真實面貌。

1文物建筑及測繪技術(shù)概述

1.1文物建筑

所謂文物建筑其實就是在歷史的長河中遺留下來的一些古代建筑，這些古代建筑既有民用建筑也有公共建筑，都具有一定的歷史意義，其中蘊含了我國傳統(tǒng)文化的特質(zhì)，對這些建筑進行研究，可以從中汲取營養(yǎng)，讓我國古代建筑文化得以傳承與發(fā)揚。我國對于這些文物建筑的測繪工作非常重視，通過測繪為文物建立專門的數(shù)據(jù)檔案，為以后的文物保護、維護維修、評估等工作提供詳實的資料，這也是做好文物保護的前提條件[1]。

1.2文物建筑測繪分類

針對文物建筑所采取的測繪技術(shù)，應(yīng)當以保護建筑完整性為前提，測繪過程不能對文物造成破壞。現(xiàn)階段針對文物建筑測繪一般分為兩種類型：精密式測繪和法式測繪。精密式測繪主要是使用先進的測繪儀器，這種方法獲得的數(shù)據(jù)更加精確，對于文物本身更不會造成破壞，目前使用最多是三維激光掃描技術(shù)。法式測繪技術(shù)是相對于精密測繪技術(shù)而言的，是采用人力測量的方法，其簡單易行，但是比較耗費人力、物力，獲得數(shù)據(jù)的精確度較差，目前這種測繪方式常用于文物建檔。

1.3文物建筑測繪中用到的方法

隨著科技的發(fā)展，一些新的測繪技術(shù)被用于文物建筑測繪中，彌補了傳統(tǒng)的手工測繪的不足。一是全站儀測量技術(shù)。全站儀是一種精密的測量儀器，將光、機、電等技術(shù)集于一身，測量過程中操作比較簡單，測量精準度高，只需要安置一次儀器就可以完成所有的測量工作。二是建筑攝影測量技術(shù)。是對文物建筑進行近距離的攝取立體像對，要求測量距離在300 m內(nèi)，對于一些古跡遺址的發(fā)掘和古代建筑的復(fù)制具有非常重要的作用。三是三維激光掃描技術(shù)。它可以稱為測繪領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，集機、光、電等技術(shù)于一身，突破了單點測量的局限性，使測量精度、工作效率都發(fā)生了質(zhì)的飛躍，可以為文物建筑的修繕與保護提供更加精準的數(shù)據(jù)資料[2]。

1.4三維激光掃描技術(shù)基本原理

近些年，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣闊，對于考古工作也起到了很大的促進作用。三維激光掃描儀可以看作是高速運行的全站儀系統(tǒng)，按照預(yù)設(shè)的步進距進行掃描，在步進掃描的同時利用激光測距技術(shù)進行測距，根據(jù)接收到的回光強度對經(jīng)過掃描的各個點進行明暗處理，圖1為三維激光掃描技術(shù)基本原理示意圖。在掃描過程中可以使用CCD相機，便于采集古建筑的色彩與形狀的相關(guān)信息，在掃描完成后可以更加真實地還原古建筑的本來色彩。三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢在于能夠密集地大量獲取古建筑的數(shù)據(jù)點信息，由單點測量突破到面測量，在測繪領(lǐng)域中具有革命性的意義[3]。

2三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)用

運用三維激光掃描技術(shù)主要為了獲取文物建筑的各項數(shù)據(jù)，然后使用專業(yè)繪圖軟件完成三維數(shù)字建檔，為后續(xù)文物建筑的維修、保護提供數(shù)據(jù)資料，以作為參考，在整個過程中必須做好數(shù)據(jù)的精度控制[4]，圖2為古建筑建檔掃描流程圖。

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描的外業(yè)操作流程如圖3所示。

掃描前先對需要進行掃描的文物建筑進行現(xiàn)場勘察，確定周圍是否存在遮擋的障礙物，確定文物建筑的結(jié)構(gòu)類型、體量等。按照測量的精度要求確定適合的掃描儀器，不同型號的掃描儀其距離精度、角度精度、分辨率、反射率等技術(shù)指標也不相同，選擇時應(yīng)考慮文物的體量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和場地限制等因素。按照測量要求制定掃描路線、確定測站點的數(shù)量與位置、標靶數(shù)量與位置，為了完整地表達被測物體，需要通過多個角度、多方位進行多次掃描。

在掃描過程中如果需要使用輔助設(shè)備，對于輔助設(shè)備的布站也要進行設(shè)計。我國古代建筑空間體量一般不太大，但是空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在掃描的時候往往會受到各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，比如：重疊穿插的梁架結(jié)構(gòu)，還有各種層疊不一的柱、斗、拱、枋、椽、檁等，都是影響掃描工作的重要因素。因此，在制訂掃描方案時，需要重點控制網(wǎng)及細部測量，在布設(shè)測點時應(yīng)以高覆蓋率、保證數(shù)據(jù)的完整性為目標。在室內(nèi)布設(shè)測點時優(yōu)先選擇遮擋面連線中點，這樣可以做好均勻點云分布，保證出圖的整體效果。在實踐中，筆者認為采用對角柱網(wǎng)連線的方式，在對角交叉位置設(shè)測點，能夠提高小空間區(qū)域內(nèi)掃描的覆蓋率，可大幅度提高掃描質(zhì)量。在測量過程中必須好對點位的控制，保證誤差在規(guī)定的范圍之內(nèi)，可以使用全站儀測量相關(guān)點位的數(shù)據(jù)，將測量的數(shù)據(jù)與三維激光掃描的結(jié)果進行比較驗證。

2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將外業(yè)中采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然后完成對數(shù)據(jù)的拼接、去噪、數(shù)據(jù)統(tǒng)一等工作。按照數(shù)據(jù)采集的順序，利用Cyclone 軟件的Register 模塊對點云數(shù)據(jù)進行處理，完成各個測站據(jù)的拼接，應(yīng)注意起始測點的位置與結(jié)束測點的位置偏差不可太大，需要控制在6 mm內(nèi)，否則會影響到后期建模的準確性[5]。去噪是為了去除系統(tǒng)中沒有價值的測點數(shù)據(jù)，利用Cyclone 軟件打開剛才完成拼接的站點云總圖，在調(diào)整到適合的位置后利用系統(tǒng)中的專用工具逐一去除多余的噪點。最后對點云中的冗余數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，完成對多個測點云數(shù)據(jù)的整合。

2.3紋理映射

經(jīng)過三維激光掃描儀采到的點云數(shù)據(jù)是黑白色的，那么因此建立的三維數(shù)據(jù)模型也是黑白色的。為了能夠更好地呈現(xiàn)文物建筑本來的色彩，需要使用高清相機進行拍攝，獲取到高清彩色相片。然后再選擇適合的紋理對圖片進行處理，重點把握透視的效果、紋理的細節(jié)等，去掉圖片中的遮擋雜色。使用系統(tǒng)中的3Dmax 軟件完成紋理映射工作，當所有操作完成后就會生成文物建筑的彩色三維模型[6]。

2.4 模型優(yōu)化

目前針對模型的優(yōu)化常采用多邊形優(yōu)化法，通過該方法可以在保證模型精度的情況下對多邊形進行簡化和優(yōu)化處理，同時還可以提高計算機處理模型數(shù)據(jù)的效率，加快處理的速度。利用三角形網(wǎng)格模型頂點曲率快速匹配圖形特征，保證了文物建筑模型的完整性與清晰度。

2.5影像校色

在對三維模型進行紋理映射前，為了保證模型的色彩度，需要對紋理數(shù)據(jù)進行調(diào)色處理。在紋理映射中要保證紋理間的色調(diào)統(tǒng)一，如果存在色差，那么映射過程中，每使用一張影像，就需要重新建立一個圖層，不僅耗費大量時間，還會影響到三維模型的精度。

2.6繪圖

一般繪圖工作由Auto CAD軟件來完成。在軟件中根據(jù)繪圖需要，在點云模型中裁切出建筑的正立面、側(cè)立面、俯視平面、橫剖面、縱剖面等幾個部分對應(yīng)的點云，再將點云大小、點云細節(jié)、透明度等參數(shù)調(diào)整合適，即可繪制出所需信息。

3結(jié)語

文物建筑具有較高的歷史價值和藝術(shù)價值，其中包含了建筑的地域性、民族性的特征，對于研究與傳承我國傳統(tǒng)建筑文化意義重大。因此，針對古代文物建筑開展維護修繕工作是當前一項重要任務(wù)。本文結(jié)合個人工作實踐對三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的運用情況進行了系統(tǒng)性的分析，提出了測繪工作中需要重點控制的環(huán)節(jié)，為相關(guān)工作人員做好文物建筑測量工作提供技術(shù)參考。

參考文獻

[1] 羅洪軍，尹國友.三維激光掃描技術(shù)在建筑測繪中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2021，44（1）：193-195.

[2] 楊振威.三維激光掃描技術(shù)在歇山古建筑信息模型建立中的應(yīng)用研究[J].中原文物，2020（6）：137-141

[3] 蔡銳.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用[J].技術(shù)與市場， 2020，27（11）：89，91.

[4] 劉科.基于古建筑保護修繕需求的三維激光幾何信息采集應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2019.

[5] 張維強.地面三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

[6] 狄海寧.淺談古建筑保護中的數(shù)字化技術(shù)[J].文物鑒定與鑒賞，2018（3）：130-132.