三維激光掃描技術(shù)在文物建筑測(cè)繪中的應(yīng)用研究
——以成都杜甫草堂工部祠為例

文／方 舟 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 實(shí)驗(yàn)師 碩 士

廖一聯(lián) 四川音樂(lè)學(xué)院成都美術(shù)學(xué)院 講 師 碩 士

王昊舒 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 實(shí)驗(yàn)師 碩 士（通訊作者）

引言

在對(duì)文物建筑的保護(hù)中，無(wú)論是進(jìn)行維護(hù)修繕還是科學(xué)研究，無(wú)論是開(kāi)展文化交流還是宣傳展示，其中一個(gè)重要而基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)就是全面獲取它的真實(shí)信息并測(cè)繪成圖[1-3]。在傳統(tǒng)的古建筑測(cè)繪中，獲取構(gòu)建幾何信息的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，外業(yè)工作的成果是手繪圖紙和一些文字記錄，很難精確地記錄古建筑的尺寸和現(xiàn)狀信息[4]，在后續(xù)制圖工作中涉及復(fù)雜建筑空間的組合、復(fù)雜建筑細(xì)節(jié)的再現(xiàn)時(shí)極易出現(xiàn)錯(cuò)誤與遺漏。三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)的一種類(lèi)型，在采集對(duì)象形態(tài)數(shù)據(jù)和材質(zhì)信息過(guò)程中具備高精度、無(wú)接觸、全方位等優(yōu)勢(shì)[5]，非常適合應(yīng)用于文物建筑的掃描測(cè)繪。文章以全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位——成都杜甫草堂工部祠三維激光掃描項(xiàng)目為例，介紹項(xiàng)目的全過(guò)程，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并對(duì)該技術(shù)當(dāng)前的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、痛點(diǎn)與前景展開(kāi)分析與討論，以期能對(duì)相關(guān)研究及實(shí)踐提供參考。

1 項(xiàng)目前期準(zhǔn)備

1.1 制定工作方案

在文物建筑的三維激光掃描項(xiàng)目中，工作方案因?yàn)閽呙鑼?duì)象和項(xiàng)目需求的不同會(huì)有比較大的區(qū)別，須合理、靈活地進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。首先，在開(kāi)展三維激光掃描之前，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)研究目標(biāo)的總體情況、建筑和構(gòu)件的材質(zhì)及色彩屬性、實(shí)際應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)的需求進(jìn)行總體把握[6,7]?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘完成工作方案制定以后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，操作時(shí)須按方案有序進(jìn)行，做好各步驟的文字記錄，最好還能同時(shí)采集圖像以供后續(xù)工作時(shí)參考。掃描數(shù)據(jù)最好能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步導(dǎo)出與檢查，便于及時(shí)補(bǔ)測(cè)采集效果不佳或遺漏的部分。而進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用工作則可離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)以?xún)?nèi)業(yè)方式進(jìn)行。本次掃描工作方案如表1 所示。

表1 掃描工作方案（表格來(lái)源：作者自繪）

1.2 掃描設(shè)備與數(shù)據(jù)處理軟件

本次項(xiàng)目位于市區(qū)，交通條件、環(huán)境條件良好，儀器的搬運(yùn)與架站都比較方便，同時(shí)項(xiàng)目對(duì)掃描精度還有一定要求。綜合這些因素，本次項(xiàng)目選用徠卡P16 三維激光掃描儀，以及配套的徠卡Cyclone 點(diǎn)云處理軟件。

徠卡P16 三維激光掃描儀掃描速率高達(dá)1 000 000 點(diǎn)/秒，最大掃描范圍80m，精度0.5mm@50m；用1550nm 激光，提高了峰值功率，對(duì)于深色或高反射物體的掃描更加精確；具備HDR 圖像技術(shù)，內(nèi)置相機(jī)可快速獲取與人眼視覺(jué)效果相近的圖片，方便點(diǎn)云處理及紋理貼圖。徠卡Cyclone 點(diǎn)云后處理軟件可支持海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接、建模、分析和各種量測(cè)十分方便，與業(yè)內(nèi)其他點(diǎn)云處理軟件相比最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行流暢、穩(wěn)定。

1.3 人員配置

本次項(xiàng)目雖場(chǎng)地條件好，無(wú)須安排人力對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堆積物、遮擋物等進(jìn)行清理，但由于是4A 級(jí)旅游景區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)人流量大，所以還是安排了一名主操作人員和兩名助手，共計(jì)外業(yè)人員三人，助手除在掃描換站時(shí)協(xié)助搬運(yùn)儀器和調(diào)平外，還承擔(dān)了在儀器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)勸導(dǎo)游客不要圍觀、維持現(xiàn)場(chǎng)秩序的任務(wù)。

2 掃描參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中，核心技術(shù)環(huán)節(jié)是對(duì)每一站掃描進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置項(xiàng)目主要包括掃描精度設(shè)置、掃描模式設(shè)置、掃描范圍角度設(shè)置與掃描站位確定等，設(shè)置時(shí)需要綜合考慮項(xiàng)目需求、掃描對(duì)象特征、外業(yè)工作條件等因素。設(shè)置完成、開(kāi)始掃描后，儀器即自動(dòng)進(jìn)行本站掃描作業(yè)，期間無(wú)須人力介入。

2.1 掃描精度設(shè)置

掃描精度是指掃描的精細(xì)程度，也稱(chēng)之為掃描分辨率。徠卡P16 三維激光掃描儀共有50mm@10m、25mm@10m、12.5mm@10m、6.3mm@10m、3.1mm@10m、1.6mm@10m、0.8mm@10m 七階精度設(shè)置，在掃描范圍角都為360°的情況下，其所耗費(fèi)時(shí)間分別為23 秒、35秒、1 分5 秒、2 分42 秒、5 分21 秒、21 分17 秒、1 小時(shí)25 分2 秒，精度與耗時(shí)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 P16 掃描精度與耗時(shí)關(guān)系表（范圍角360°）（圖片來(lái)源：作者自繪）

當(dāng)精度設(shè)置高于常規(guī)精度3.1mm@10m 后，掃描所需時(shí)間大幅升高。理論上，越高的精度設(shè)置會(huì)帶來(lái)越密集、越詳細(xì)、越貼近實(shí)際情況的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但在外業(yè)工作中，越高的精度設(shè)置還意味著更高的時(shí)間成本和人力成本投入，并且由于高精度掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量極為龐大，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)內(nèi)業(yè)工作時(shí)間大幅加長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求也大幅提高，所以一味追求高精度設(shè)置是不合理、不明智的，需要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求來(lái)合理安排。

2.2 掃描模式設(shè)置

徠卡P16 三維激光掃描儀具備HDR 圖像采集功能，能夠采集掃描目標(biāo)的高清、高色彩還原度圖像作為參考，自動(dòng)對(duì)所獲點(diǎn)云數(shù)據(jù)的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行“著色”，從而得到一個(gè)極為逼真還原的三維點(diǎn)云模型，在正?？s放比例下用肉眼觀察幾乎與實(shí)景無(wú)異。這一功能為后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與應(yīng)用，以及掃描成果展示帶來(lái)極大的便利與更多的可能性。但由于HDR 圖像采集與激光掃描是獨(dú)立的兩個(gè)過(guò)程，儀器會(huì)在激光掃描作業(yè)完成后開(kāi)始HDR 圖像采集作業(yè)，所以在開(kāi)啟HDR 模式時(shí)，掃描儀完成一站掃描任務(wù)的時(shí)間包含了激光與HDR 兩部分。本次項(xiàng)目須采用HDR 模式工作，故預(yù)計(jì)工作時(shí)間時(shí)需要把兩部分時(shí)間都考慮進(jìn)去。

2.3 掃描范圍角度設(shè)置

徠卡P16 三維激光掃描儀可在掃描時(shí)設(shè)置各站的掃描范圍角度，一般情況下為了將掃描主體與周邊環(huán)境一次性掃描下來(lái)，會(huì)將參數(shù)設(shè)置為360°（環(huán)形掃描）。在個(gè)別情況下，如補(bǔ)充掃描時(shí)，可根據(jù)需求設(shè)置一個(gè)適合的掃描范圍角。掃描范圍角度設(shè)置越大，掃描時(shí)間會(huì)同比增加。

2.4 掃描設(shè)站

掃描站位設(shè)置十分重要，直接影響到數(shù)據(jù)的質(zhì)量、后期處理難易程度以及外業(yè)、內(nèi)業(yè)工作的效率。對(duì)于一個(gè)單體建筑，設(shè)四站即可將其外觀基本掃描完成，但一般會(huì)結(jié)合建筑的形態(tài)、高度與細(xì)節(jié)豐富程度，考慮增加設(shè)站數(shù)。但是與精度設(shè)置類(lèi)似，雖然理論上越多的站位會(huì)帶來(lái)越詳細(xì)、越完整、越無(wú)死角的點(diǎn)云模型，但考慮到工作效率與成本，同樣需要結(jié)合項(xiàng)目需求來(lái)合理安排設(shè)站。

3 具體操作及討論

在本次項(xiàng)目中，針對(duì)建筑進(jìn)行了兩輪掃描，一次為常規(guī)精度掃描、一次為高精度掃描，其目的是綜合比較完成兩次掃描所花費(fèi)的時(shí)間成本、人力成本，以及數(shù)據(jù)成果，得出更適合該項(xiàng)目的掃描參數(shù)設(shè)置方案，為日后的同類(lèi)型項(xiàng)目提供參考。

3.1 外業(yè)工作

掃描對(duì)象是一座單體建筑，形態(tài)上除正立面的檐廊外基本沒(méi)有更多的凹凸進(jìn)退，但有坡屋頂和較為豐富的細(xì)節(jié)，所以在距離建筑較近的四角站位基礎(chǔ)上還增加了三個(gè)較遠(yuǎn)的站位，目的是為了減小仰角，讓激光束能打到坡屋面上，獲取盡可能多的屋面和屋脊細(xì)節(jié)。室內(nèi)為單一空間，屋頂?shù)酌嬉矡o(wú)吊頂遮擋，原本只需設(shè)置2 ～3 站即可，但考慮到建筑的窗格、佛龕、屋頂?shù)酌娴扔休^為豐富的裝飾與構(gòu)造細(xì)節(jié)，設(shè)置了呈2 橫3 縱布局的6 站，以獲取更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。工部祠掃描項(xiàng)目共設(shè)13 站，站位圖如圖2 所示。

圖2 站位圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

由于工部祠建筑體量不大，本次掃描采用了P16 掃描儀的無(wú)標(biāo)靶掃描功能，掃描時(shí)無(wú)須預(yù)先放置球形或平面標(biāo)靶，只要確保各站間有公共掃描區(qū)域存在，即可在Cyclone 軟件中進(jìn)行無(wú)標(biāo)靶點(diǎn)云自動(dòng)拼接，一定程度上降低了外業(yè)工作的時(shí)間和人力成本。

常規(guī)精度輪掃描參數(shù)設(shè)置為精度3.1mm@10m、HDR 開(kāi)啟、范圍角度360°，單站平均耗時(shí)16 分鐘，共設(shè)13 站，總耗時(shí)約4 小時(shí)。高精度輪掃描參數(shù)設(shè)置為精度1.6mm@10m、HDR 開(kāi)啟、范圍角度360°，單站平均耗時(shí)33分鐘，供設(shè)7 站，只在第一輪設(shè)站的點(diǎn)位1、2、5、8、9、12、13 處設(shè)站，總耗時(shí)4.5 小時(shí)，兩輪掃描的參數(shù)設(shè)置如表2 所統(tǒng)計(jì)。

表2 兩次掃描參數(shù)設(shè)置與耗時(shí)統(tǒng)計(jì)（表格來(lái)源：作者自繪）

3.2 內(nèi)業(yè)工作

外業(yè)階段完成后，轉(zhuǎn)到內(nèi)業(yè)階段繼續(xù)工作。首先要將各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone 軟件拼接，得到初步的模型。隨后需要對(duì)模型進(jìn)行去噪點(diǎn)處理，在三維激光掃描過(guò)程中，由于自然和人為因素的影響，會(huì)產(chǎn)生一些干擾的“噪音點(diǎn)”，如建筑周?chē)臉?shù)木、人員移動(dòng)等[8]。這些噪點(diǎn)目前更多地依賴(lài)人工來(lái)甄別并從模型中刪去，最終的三維點(diǎn)云模型如圖3 所示。拼接后的常規(guī)精度點(diǎn)云模型大小為26.9GB，處理耗時(shí)30min；高精度點(diǎn)云模型大小33GB，處理耗時(shí)1.5h，模型數(shù)據(jù)如表3 所統(tǒng)計(jì)。

圖3 拼接、去噪后的點(diǎn)云模型（圖片來(lái)源：作者自繪）

表3 兩次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（表格來(lái)源：作者自繪）

利用Cyclone 強(qiáng)大便利的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與切片能力，導(dǎo)出平面圖、縱橫兩個(gè)方向的剖面圖、四個(gè)朝向的立面圖以及屋頂平面圖作為參照，完成建筑的CAD 制圖（圖4）。同時(shí)導(dǎo)出剖面、平面方向上的剖透視圖作為技術(shù)成果展示所需的素材。

圖4 點(diǎn)云切片與CAD 測(cè)繪圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

3.3 結(jié)論

前文提到，掃描項(xiàng)目的外業(yè)作業(yè)時(shí)間由掃描精度設(shè)置、是否采用HDR 圖像采集模式、掃描范圍角度設(shè)置、設(shè)站數(shù)量四方面共同決定。

（1）在CAD 制圖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)精度掃描（3.1mm@10m）獲得的模型切片已足夠作為建筑平、立、剖面圖的制圖參照，僅在作細(xì)部構(gòu)件的大樣圖時(shí)，使用更高精度（1.6mm@10m）的點(diǎn)云切片能方便制圖者更快地區(qū)分出構(gòu)件的凹凸面和陰陽(yáng)面、提高工作效率，繪制不規(guī)則線條時(shí)的參照點(diǎn)也更多，線條與實(shí)際情況的擬合程度更高，故最合理的精度設(shè)置方案是常規(guī)精度掃描為主，按需對(duì)有精確表達(dá)需求的位置進(jìn)行適度高精度掃描。

（2）由圖1 可知，兩站常規(guī)精度掃描（3.1mm@10m）所耗時(shí)間與一站高精度掃描（1.6mm@10m）相近，故在本項(xiàng)目以及類(lèi)似文物建筑測(cè)繪的項(xiàng)目中、在花費(fèi)同樣時(shí)間成本的前提下，宜選擇進(jìn)行更多站的常規(guī)精度掃描，這樣可獲得更多可互補(bǔ)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，拼接后的點(diǎn)云模型死角更少更完整，事實(shí)上會(huì)更有利于后續(xù)制圖。

（3）高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求很高，本次高精度輪的掃描站數(shù)少于常規(guī)精度輪，除了外業(yè)時(shí)間與人力成本的考量，還有對(duì)計(jì)算機(jī)性能的考量。事實(shí)上，在拼接好一半站位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)的壓力已經(jīng)相當(dāng)大了。為避免獲得了點(diǎn)云數(shù)據(jù)卻無(wú)法使用的尷尬，掃描作業(yè)時(shí)還需要考慮所用計(jì)算機(jī)的處理能力。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與痛點(diǎn)總結(jié)

4.1 優(yōu)勢(shì)總結(jié)

（1）精度極高，與卷尺、垂球、激光測(cè)距儀打點(diǎn)動(dòng)輒10cm 以上誤差的傳統(tǒng)方式相比，三維激光掃描技術(shù)將數(shù)據(jù)精度提高了不止一個(gè)級(jí)別。

（2）三維激光掃描技術(shù)被歸為一類(lèi)現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)，它從原理上杜絕了測(cè)繪錯(cuò)誤的發(fā)生，使本身極為考驗(yàn)專(zhuān)業(yè)能力的內(nèi)業(yè)制圖作業(yè)變得像“依葫蘆畫(huà)瓢”那么簡(jiǎn)單。

（3）工作效率高，無(wú)接觸作業(yè)，對(duì)工作人員和文物建筑本身的安全都有利。

（4）降低從業(yè)人員門(mén)檻，外業(yè)部分工作只要懂得儀器操作即可完成；內(nèi)業(yè)部分工作已不再是必須要非常熟悉中國(guó)古建筑才能做，但仍需具備一定建筑學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

（5）三維激光掃描技術(shù)將文物建筑信息化、數(shù)字化，納入到建筑信息技術(shù)的框架下，打開(kāi)了與BIM（建筑信息模型）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等技術(shù)結(jié)合的通道，未來(lái)能夠衍生出更多樣的課題與更豐富的成果。

4.2 痛點(diǎn)總結(jié)

雖說(shuō)三維激光掃描技術(shù)有著發(fā)動(dòng)行業(yè)革命級(jí)別的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但一些技術(shù)痛點(diǎn)也確實(shí)存在，客觀上減緩了它推廣的腳步。

（1）掃描設(shè)備和配套軟件、能夠運(yùn)行軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都比較昂貴，基層文保單位購(gòu)置自用不太現(xiàn)實(shí)。目前將掃描這部分工作外包給專(zhuān)營(yíng)測(cè)繪的單位是一種折衷的方式，但可能短期內(nèi)存在需求與供應(yīng)相互協(xié)調(diào)磨合的問(wèn)題。

（2）對(duì)掃描對(duì)象的環(huán)境有一定的要求，如現(xiàn)場(chǎng)需要有足夠的空間來(lái)架設(shè)儀器；雨雪云霧天氣會(huì)對(duì)掃描結(jié)果造成不利影響；現(xiàn)場(chǎng)人流、植物會(huì)遮擋激光束，產(chǎn)生很多噪點(diǎn)，影響掃描結(jié)果。

（3）對(duì)于高度較高的文物建筑，由于儀器有掃描距離限制，在掃描建筑較高標(biāo)高處時(shí)需要將儀器送到相應(yīng)高度，同時(shí)固定調(diào)平后才能執(zhí)行掃描作業(yè)，有時(shí)這是難以實(shí)現(xiàn)的；對(duì)于建筑內(nèi)外有結(jié)構(gòu)遮擋的位置，除非拆除現(xiàn)有結(jié)構(gòu)否則無(wú)法對(duì)其所遮擋的部位進(jìn)行掃描，但文物建筑的任何部分都是不可能說(shuō)拆就拆的。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)成都杜甫草堂工部祠建筑進(jìn)行測(cè)繪的過(guò)程，驗(yàn)證了這一技術(shù)路線的可行性，并通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的實(shí)踐操作與對(duì)比分析，討論了適合該項(xiàng)目及類(lèi)似項(xiàng)目的技術(shù)方案，最后總結(jié)了該技術(shù)在文物建筑測(cè)繪工作中的優(yōu)勢(shì)與痛點(diǎn)。相信隨著三維激光掃描技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯，其成本會(huì)調(diào)整至一個(gè)合適的范圍，一些影響應(yīng)用的技術(shù)痛點(diǎn)最終會(huì)得到解決。