地面三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用探討

摘要：古建筑是我國(guó)文化遺產(chǎn)的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和傳承是我們的重要責(zé)任。隨著國(guó)家對(duì)古建筑保護(hù)力度的逐年加大，越來(lái)越多的古建筑在保護(hù)過(guò)程中采用了三維激光掃描技術(shù)。而目前對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向主要是古建筑現(xiàn)狀測(cè)繪，耗費(fèi)了大量物力、財(cái)力的數(shù)據(jù)并沒(méi)有充分發(fā)揮作用。文章以FARO Focus S350三維激光掃描儀為例，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；古建筑保護(hù)；應(yīng)用

精準(zhǔn)的現(xiàn)狀測(cè)繪是做好古建筑保護(hù)工作的基礎(chǔ)。三維激光掃描技術(shù)引入古建筑保護(hù)領(lǐng)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)手工測(cè)繪的不足，提高了測(cè)繪的精度和效率，直觀準(zhǔn)確地記錄了古建筑現(xiàn)狀及其周邊環(huán)境，對(duì)古建筑的保護(hù)工作具有極大的幫助。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維激光掃描后得到的數(shù)據(jù)成果，目前對(duì)它的利用主要集中在測(cè)繪方面，未能發(fā)揮點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真正價(jià)值。因此，文章從三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的原理及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)入手，在闡述三維激光掃描技術(shù)作業(yè)流程的基礎(chǔ)上，闡述了點(diǎn)云數(shù)據(jù)在古建筑保護(hù)中的具體應(yīng)用。

一、三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

（一）技術(shù)原理

FARO Focus S350是法如公司生產(chǎn)的一款地面三維激光掃描儀，在測(cè)量上采用相位偏移技術(shù)。掃描儀內(nèi)部設(shè)有激光發(fā)射器，隨著設(shè)備的運(yùn)行，從各個(gè)角度持續(xù)向外投射不同波長(zhǎng)的紅外光，當(dāng)接觸到掃描對(duì)象后就會(huì)反射回到掃描儀。通過(guò)對(duì)激光發(fā)射和接收時(shí)的相位差進(jìn)行測(cè)量，得到發(fā)射點(diǎn)與掃描對(duì)象的距離。FARO Focus S350掃描儀可覆蓋的視角為360°× 300°，掃描儀下方缺失的數(shù)據(jù)可通過(guò)相鄰站點(diǎn)補(bǔ)充。掃描完畢后獲得一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)，稱(chēng)為一站數(shù)據(jù)。多站數(shù)據(jù)經(jīng)拼接等處理后形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果。

（二）應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

勘察測(cè)繪方法根據(jù)原理和技術(shù)的不同，可分為傳統(tǒng)手工勘察測(cè)繪與現(xiàn)代技術(shù)勘察測(cè)繪。傳統(tǒng)手工勘測(cè)方法對(duì)測(cè)繪設(shè)備要求不高，操作更加靈活簡(jiǎn)易，但易受天氣、時(shí)間影響，同時(shí)在測(cè)繪中存在損害古建筑的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)代勘測(cè)技術(shù)更加注重空間性、一體化，同時(shí)不受制于天氣或時(shí)間，能夠全天候進(jìn)行測(cè)量，效率較高，測(cè)繪數(shù)據(jù)具有直觀性、可讀性等優(yōu)點(diǎn)。三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)代技術(shù)勘察測(cè)繪的典型代表，主要是利用三維激光掃描儀掃描整座古建筑或環(huán)境地形，獲得帶有三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到古建筑或環(huán)境地形的空間信息。地面三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)繪手段相比，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

其一，掃描全面、距離長(zhǎng)、效率高，真實(shí)反映古建筑現(xiàn)狀，將古建筑測(cè)繪由二維轉(zhuǎn)向三維，現(xiàn)狀內(nèi)容反映真實(shí)。

其二，精度高，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，精度可達(dá)到毫米級(jí)。

其三，非接觸式測(cè)繪，在掃描過(guò)程中不需接觸古建筑本體，避免對(duì)古建筑造成負(fù)面影響，尤其在損毀嚴(yán)重、不便攀爬的古建筑測(cè)繪中尤為實(shí)用。

其四，適用性強(qiáng)，三維掃描儀體積小、重量輕，方便攜帶和操作，可在狹小或承重小的空間里工作。

其五，可在無(wú)光環(huán)境中使用。掃描儀可根據(jù)被掃描物體的遠(yuǎn)近、表面的反射率等形成可供識(shí)別的黑白點(diǎn)云，清晰反映出墻體、梁架等的結(jié)構(gòu)特征，梁架上的題記也清晰可見(jiàn)（圖1）。

其六，整合古建筑的測(cè)繪數(shù)據(jù)，掃描數(shù)據(jù)通過(guò)積累和整理，可形成古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)，使同類(lèi)型構(gòu)件外形和尺寸的對(duì)比更加快捷，方便分析。

（三）技術(shù)流程

1.現(xiàn)場(chǎng)踏勘

在外業(yè)采集開(kāi)展前需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，充分掌握測(cè)區(qū)的作業(yè)環(huán)境、建筑布局、人流車(chē)流等信息。適宜的掃描路線(xiàn)以及合理地布設(shè)標(biāo)靶，可減少外業(yè)工作量，提高掃描質(zhì)量。此外，掃描前還要將掃描區(qū)域雜物盡量清理干凈，尤其是遮擋古建筑下堿、柱礎(chǔ)以及其他結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置。

2.參數(shù)設(shè)置

分辨率和質(zhì)量是最重要的掃描參數(shù)，決定了掃描的精度和時(shí)間。分辨率設(shè)置用于確定掃描點(diǎn)的密度，分辨率設(shè)置越高，圖像越清晰，細(xì)節(jié)精度也就越高。質(zhì)量設(shè)置用于確定掃描儀測(cè)量點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)以及點(diǎn)的采樣時(shí)長(zhǎng)，質(zhì)量設(shè)置越高，噪點(diǎn)就越少。參數(shù)設(shè)置可根據(jù)室內(nèi)外位置和掃描物體的遠(yuǎn)近，選擇儀器內(nèi)預(yù)設(shè)的配置文件，也可以根據(jù)需要自己調(diào)節(jié)。

3.數(shù)據(jù)采集

首先，將儀器架設(shè)穩(wěn)定，調(diào)平電子水平氣泡。FARO Focus S350三維激光掃描儀內(nèi)部設(shè)有傾角儀和陀螺儀，可以抵消5°的傾斜，調(diào)平難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全站儀。儀器架設(shè)完畢，便可按照既定路線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。有風(fēng)情況下，可用重物或沙袋保持穩(wěn)定。對(duì)庭院、圍墻等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或開(kāi)闊地帶可采用低分辨率、疏站位掃描，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的斗拱或室內(nèi)外結(jié)合部分要采用高分辨率、密站位掃描。數(shù)據(jù)采集應(yīng)盡量避免太陽(yáng)光強(qiáng)烈的時(shí)間段，一是避免掃描儀機(jī)內(nèi)拍照過(guò)曝，造成后期的彩色點(diǎn)云質(zhì)量不高；二是避免儀器升溫過(guò)高，造成損壞。

標(biāo)靶球和標(biāo)靶紙的應(yīng)用可減少后期的拼接時(shí)間，提高數(shù)據(jù)精度。擺放時(shí)要使標(biāo)靶球間有一定的距離，標(biāo)靶球不能擺成一條直線(xiàn)，也不能擺在一個(gè)平面上。掃描儀和布設(shè)的標(biāo)靶要由專(zhuān)人看管，避免外界干擾造成精度降低。掃描過(guò)程要寫(xiě)場(chǎng)記、畫(huà)草圖，將掃描位置、標(biāo)靶位置、掃描路線(xiàn)全部記錄下來(lái)，便于后期的數(shù)據(jù)處理。

4.數(shù)據(jù)預(yù)處理

因掃描過(guò)程中外界環(huán)境因素對(duì)掃描目標(biāo)的阻擋和遮掩，如在古建筑掃描過(guò)程中，移動(dòng)的車(chē)輛、行人、樹(shù)木的遮擋，建筑物本身的反射特性不均勻，掃描儀的掃描方向與建筑物反射面夾角超限等原因，致使獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)攜帶一些噪點(diǎn)[1]。因此，原始數(shù)據(jù)備份后，首先要對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、平滑等處理。FARO Focus S350掃描儀配套軟件SCENE在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，還會(huì)將掃描儀拍攝的照片映射到黑白點(diǎn)云上形成彩色點(diǎn)云，同時(shí)自動(dòng)查找掃描數(shù)據(jù)中的標(biāo)靶球或標(biāo)靶紙，并對(duì)這些標(biāo)靶分別編號(hào)，方便后續(xù)的拼接。

5.數(shù)據(jù)拼接

無(wú)論是何種類(lèi)型的三維激光掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要從不同角度對(duì)同一目標(biāo)的不同區(qū)域進(jìn)行掃描，然后通過(guò)特征點(diǎn)將各個(gè)掃描站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描最核心的環(huán)節(jié)，拼接精度的高低直接決定了掃描點(diǎn)云的價(jià)值，在外業(yè)采集時(shí)就要考慮后期點(diǎn)云拼接的方式。

點(diǎn)云拼接方式一般分為兩種：一種是手動(dòng)拼接，通過(guò)兩站掃描間相同的標(biāo)志點(diǎn)。這個(gè)標(biāo)志點(diǎn)可以是標(biāo)靶球、標(biāo)靶紙，也可以是被掃描物體上的特征點(diǎn)，原則上兩站之間的拼接需要三個(gè)共同的標(biāo)志點(diǎn)和一個(gè)共同的面才能夠保證拼接精度；另一種就是通過(guò)兩次掃描間的重合自動(dòng)拼接。需注意的是，長(zhǎng)廊或道路等線(xiàn)性對(duì)象應(yīng)盡量避免自動(dòng)拼接方式，因?yàn)榫€(xiàn)性?huà)呙锜o(wú)法形成閉合，每站掃描之間的拼接誤差都會(huì)疊加，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度降低。

6.數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

點(diǎn)云的冗余數(shù)據(jù)一般來(lái)自三個(gè)方面：重合點(diǎn)云、密度過(guò)大點(diǎn)云、非目標(biāo)點(diǎn)云。重合點(diǎn)云是數(shù)據(jù)拼接精度的保證，但在點(diǎn)云拼接完成后，應(yīng)予以去除。離掃描儀較近的被測(cè)物體密度較大，易造成數(shù)據(jù)量大。非目標(biāo)點(diǎn)云是指被測(cè)物體以外的點(diǎn)云，如車(chē)輛、行人、其他建筑物等。因此，在滿(mǎn)足精度及保證被測(cè)物體幾何特征的前提下，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，以提高數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度、傳輸速度和利用效率。

7.數(shù)據(jù)導(dǎo)出

完成以上步驟后，最終形成準(zhǔn)確、完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)需要導(dǎo)出相應(yīng)的格式，為古建筑的保護(hù)和展示利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)成果應(yīng)用

（一）數(shù)字化存檔

FARO Focus S350三維激光掃描儀的工作范圍可以達(dá)到350 m，在掃描古建筑時(shí)也同步記錄了周邊環(huán)境。在拼接完畢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，不僅可直觀地反映古建筑的幾何形態(tài)，還記錄了古建筑周邊的植被分布、地形標(biāo)高等信息，形成古建筑的數(shù)字化檔案，作為“四有檔案”的一部分，用于古建筑的保護(hù)規(guī)劃、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。

（二）現(xiàn)狀測(cè)繪

拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包含古建筑完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、建筑布局等信息。將點(diǎn)云導(dǎo)入到Cyclone軟件后會(huì)形成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，安裝CloudWorX 插件后，可在Auto CAD軟件中導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)插件工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行編輯，依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行圖紙的繪制。

FARO Focus S350三維激光掃描儀是采用先掃描后拍照的工作方式，除點(diǎn)云數(shù)據(jù)以外，還可形成掃描區(qū)域的全景圖。清晰的畫(huà)面可以明確結(jié)構(gòu)的銜接，也可用來(lái)統(tǒng)計(jì)古建筑構(gòu)件的殘損情況。

地面三維激光掃描儀不僅記錄了古建筑的幾何形態(tài)，還記錄了紋理信息，通過(guò)軟件可形成具有正射投影性質(zhì)的影像。該圖像是利用三維激光掃描數(shù)據(jù)拼接而成的彩色點(diǎn)云模型直接生成的彩色圖像，圖像像素可與真實(shí)尺寸相對(duì)應(yīng)，帶有實(shí)際尺寸信息，可直接作為古建筑的現(xiàn)狀圖紙使用。也可將傳統(tǒng)的CAD圖紙與正射影像圖進(jìn)行結(jié)合，將帶有真實(shí)尺寸的正射影像圖襯于測(cè)繪圖紙的下方，將古建筑的現(xiàn)狀準(zhǔn)確、直觀地表現(xiàn)出來(lái)（圖2）。

除此之外，正射影像還可用于古建筑細(xì)部構(gòu)件的描圖，古建筑中廣泛存在著精美繁復(fù)的瓦件、木雕、石雕等，傳統(tǒng)的手工測(cè)繪一般采用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片記錄，然后插入CAD描圖的方法。但是，由于高度和角度的原因，拍攝照片存在透視，細(xì)部尺寸通常靠整體尺寸推導(dǎo)，而三維掃描技術(shù)可以利用正射影像描圖的方法很好地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)三維軟件可以選擇角度并創(chuàng)建1∶1正射影像圖，繪制完成后可以很好地與整體圖紙融合。

（三）結(jié)構(gòu)分析

在古建筑保護(hù)修復(fù)領(lǐng)域，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究分析，可獲取建筑結(jié)構(gòu)殘損變形的實(shí)際情況。

當(dāng)古建筑地基、基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，古建筑的整體受力狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生局部應(yīng)力變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)不能承受時(shí)，薄弱點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生破壞。截取古建筑地面臺(tái)基的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置基準(zhǔn)平面，可對(duì)地面臺(tái)基數(shù)據(jù)進(jìn)行高程偏差分析，獲取不均勻沉降的真實(shí)數(shù)值乃至發(fā)展趨勢(shì)。使用同樣的方法，也可具象古建筑墻體的歪閃、傾斜程度，為制定修繕?lè)桨柑峁┮罁?jù)（圖3）。

柱子是古建筑的主要承重結(jié)構(gòu)，在古建筑點(diǎn)云里分別截取柱頭和柱腳的點(diǎn)云切片，導(dǎo)出.dxf格式。把切片導(dǎo)入Auto CAD，將柱頭和柱腳的點(diǎn)云切片分別設(shè)置成不同顏色，然后重疊，分別擬合柱頭柱腳，用來(lái)分析柱子的歪閃情況。若外圈柱頭統(tǒng)一向內(nèi)傾斜，且與法式規(guī)定的側(cè)腳相差不大，則柱子沒(méi)有問(wèn)題；如果向內(nèi)傾斜過(guò)大或者沒(méi)有規(guī)律，則說(shuō)明大木構(gòu)架出現(xiàn)歪閃。

（四）學(xué)術(shù)研究

古建筑的度量尺度在各個(gè)歷史時(shí)期皆有不同，甚至同時(shí)期木作與瓦作的營(yíng)造尺度也未統(tǒng)一。在古建筑研究過(guò)程中，我們必須對(duì)大量的古代建筑進(jìn)行科學(xué)測(cè)繪，以便獲得準(zhǔn)確可靠的圖形和數(shù)據(jù)資料[2]。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可快速精準(zhǔn)地完成測(cè)繪工作，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整理和分析，形成古建筑數(shù)據(jù)庫(kù)。將古建筑按照年代、地域等維度進(jìn)行分析，揭示古建筑的材分制度、平面尺丈、斗拱設(shè)計(jì)、屋架尺度、結(jié)合文獻(xiàn)資料逆推原始營(yíng)造尺度等，推測(cè)還原古建筑大木尺度原始設(shè)計(jì)尺度以及演變的過(guò)程。

（五）展示利用

部分古建筑所在區(qū)域交通不便、基礎(chǔ)設(shè)施較差，因而鮮為人知；有的文保單位為保護(hù)古建筑內(nèi)的彩塑、壁畫(huà)，在入口處架設(shè)鐵柵欄，精美的琉璃瓦件因距離太遠(yuǎn)無(wú)法欣賞。這些實(shí)際情況都不利于古建筑的展示和傳播。

以點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高清照片為數(shù)據(jù)源，通過(guò)3ds Max、Maya、Rhino等專(zhuān)業(yè)軟件，可建立尺寸準(zhǔn)確、紋理自然、具備細(xì)節(jié)的精細(xì)模型。結(jié)合互動(dòng)觸摸屏和多樣化的線(xiàn)上展示手段，打破了線(xiàn)上與線(xiàn)下、時(shí)間與空間的界限，全面提升古建筑的保護(hù)利用和傳承水平。

三、結(jié)語(yǔ)

三維掃描技術(shù)能將古建筑及文物的尺寸、材質(zhì)、色彩、殘損表現(xiàn)出來(lái)，給古建筑測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展，也為之后的修繕保護(hù)及展示利用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文物保護(hù)工作者應(yīng)拓寬知識(shí)領(lǐng)域，積極引進(jìn)其他學(xué)科成熟技術(shù)，并進(jìn)行探索與實(shí)踐，為我國(guó)文物保護(hù)事業(yè)添磚加瓦

參考文獻(xiàn)：

[1]劉昊.基于點(diǎn)云的古建筑信息模型（BIM）建立研究[D].北京建筑大學(xué)，2014.

[2]吳銳.古建筑營(yíng)造尺度真值復(fù)原研究芻議[J].文物季刊，1989（02）：83-90.

作者簡(jiǎn)介：

李揚(yáng)（1990—），男，漢族，河北衡水人。設(shè)計(jì)師，研究方向：文物建筑修繕、古建筑數(shù)字化保護(hù)、可移動(dòng)文物數(shù)字化保護(hù)及預(yù)防性保護(hù)。

閆崇仁（1989—），男，漢族，河南商丘人。設(shè)計(jì)師，研究方向：文物建筑修繕、古建筑數(shù)字化、仿古建筑設(shè)計(jì)。