基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑修復(fù)工程應(yīng)用

■王劍

（湖南省地質(zhì)測繪院湖南衡陽421001）

基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑修復(fù)工程應(yīng)用

■王劍

（湖南省地質(zhì)測繪院湖南衡陽421001）

本文主要闡述三維激光掃描技術(shù)在古建筑修復(fù)工程測量工作上的應(yīng)用，就古建筑中不易采集的距離數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)以及立面圖、俯視圖和傾斜度等線劃圖、三維模型等成果的制作流程進行分析。

三維激光掃描線劃圖 三維模型

三維激光掃描技術(shù)誕生于上世紀九十年代，是一項新興的高精密測繪技術(shù)，其利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。當(dāng)前，許多古建筑修復(fù)工程在制作數(shù)據(jù)線劃圖時，主要還是依靠傳統(tǒng)的手繪草圖、尺寸量取，再進行電腦內(nèi)業(yè)制圖的方式完成，不僅耗時長，工序繁瑣，而且時常需要反復(fù)核對，在不易量取的位置，還只能通過公式推算的方式，來獲取尺寸，因此急需一種新興的測繪方式來完成這項工作。三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護上的優(yōu)勢，最突出的優(yōu)勢在于它解決了一些傳統(tǒng)測繪和攝影技術(shù)因場地受限而無法測繪和照相的問題，在不用接觸實物的情況下，較好的避免了施測者對古建筑的直接損害。根據(jù)此技術(shù)提供的數(shù)據(jù)，能夠生成古建筑各方向的剖、立、平面圖，在深度和廣度上為修復(fù)與保護工作提供了準確的第一手資料，使文物以多個角度得以呈現(xiàn)。通過精細掃描，還可以精確分析出古建筑的破損、蟲害等病理情況，而根據(jù)項目的需求，數(shù)據(jù)采集密度的要求不同，形成的數(shù)據(jù)成果要求也不一樣，但總體來說主要有：①基礎(chǔ)的點云數(shù)據(jù)；②用于修復(fù)的帶有尺寸標注的線劃圖成果，其中主要有俯視圖，立面圖和傾斜圖等；③用于模擬、觀賞的三維模型數(shù)據(jù)。本文將以衡陽市古建筑來雁塔修復(fù)工程為例,以Leica ScanStation2為數(shù)據(jù)采集工具，進行工作流程及技術(shù)分析。

1　三維激光掃描系統(tǒng)簡介

三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理的過程，它采用儀器坐標系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標物體采樣的結(jié)果。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標。

2　數(shù)據(jù)基礎(chǔ)——點云數(shù)據(jù)

三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的集合，通過模塊化軟件和配套插件,軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的管理、點云拼接、建模、制圖和CAD系統(tǒng)的通訊協(xié)同等任務(wù)，為各種工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過三維掃描系統(tǒng)獲取點云數(shù)據(jù)進而生成的模型不僅具有工程應(yīng)用中一般模型的所有特點，而且可以獲得真實尺寸。（如圖1為來雁塔點云效果圖）。根據(jù)項目需要，點云數(shù)據(jù)采集的密度應(yīng)依據(jù)實際要求而設(shè)定，對于雕花、紋理、篆刻等具有代表性的建筑物構(gòu)件，需要進行毫米級的精細掃描，規(guī)則的建筑構(gòu)件可放寬掃描采樣間隔。

3　數(shù)據(jù)成果

3.1線劃圖

圖2　來雁塔立面圖

圖3　來雁塔傾斜圖

為了獲取文物目標詳實的立面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用三維激光掃描技術(shù)，通過逐片測定所選立面三維坐標的方法，結(jié)合立面測繪數(shù)據(jù)（經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)投影變換）以及其它有關(guān)數(shù)據(jù)生成文物目標的線化圖。三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone提供了面向AutoCAD的專用接口。將掃描的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中進行處理，獲取建筑的立面圖、俯視圖以及傾斜圖等，注明各條邊的長度,為規(guī)劃改造提供真實可靠的數(shù)據(jù)資料。立面圖和俯視圖的比例尺一般設(shè)為：1: 100。數(shù)字線畫圖（DLG）成果為DWG或DXF格式，長度單位為米，精確到毫米。在古建筑修復(fù)中，涉及的很大一部分修復(fù)工程是處理病蟲害、風(fēng)化，雨水沖刷等造成的損害，因此了解具體的損害程度，包括成因，面積，走勢等都需要通過線劃圖進行直觀的反應(yīng)。在對這部分進行數(shù)據(jù)處理時，就需要結(jié)合點云數(shù)據(jù)、立面圖、等值線圖和影像圖統(tǒng)籌分析，其中立面圖注重表面細節(jié)，等值線圖注重結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將兩者進行信息疊加將相得益彰，互為補充，影像圖對比參考。如圖2為來雁塔點云立面效果圖，在有破損的地方根據(jù)成因的不同也以不同形式的表示方式進行了特別的標注。傾斜圖主要反映建筑物的是否因地質(zhì)構(gòu)造變化或人為破壞而引起的沉降現(xiàn)狀，其分析的對象主要有三個方面：一是建筑物整體的中心軸

圖4　來雁塔三維模型

的傾斜情況；二是建筑物各樓層的傾斜距離位移情況；三是建筑物各樓層的角度傾斜情況。如圖3為來雁塔的傾斜效果圖，其中分別標注了各層的距離和角度偏移，整體的傾斜情況可以單獨書寫。

3.2三維模型構(gòu)建

三維數(shù)字模型的構(gòu)建有多種方法，對于非規(guī)則形態(tài)的文物對象最常用的是通過構(gòu)建三角網(wǎng)（將相鄰的離散點按照特定的要求連接起來構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）立體模型或進一步構(gòu)成規(guī)則格網(wǎng)Grid立體模型）的方式進行3D數(shù)據(jù)模型重構(gòu)。精確3D數(shù)據(jù)模型重構(gòu)是實現(xiàn)目標三維可視化、模型表面精確的紋理映射、空間仿真和虛擬現(xiàn)實，再現(xiàn)客觀事物真實形態(tài)和物理特性的關(guān)鍵。利用點云數(shù)據(jù)可以方便的生成各種文物對象精確的三維數(shù)字模型，然而這種模型通常沒有紋理信息，俗稱“白?！?。在獲取文物目標良好的數(shù)字影像和精確的三維數(shù)字模型后，利用3DMax等模型軟件可完成模型的紋理映射工作，使得幾何模型具有真實的彩色紋理。具有紋理信息的三維數(shù)字模型是實現(xiàn)文物虛擬展示的基礎(chǔ)。如圖4為來雁塔三維模型，該模型能直觀的反映實物本體現(xiàn)狀，猶如身臨其境。

4　總結(jié)

當(dāng)前，三維激光掃描技術(shù)越來越受到文保單位的青睞，隨著相關(guān)設(shè)備的不斷推陳出新以及愈加智能的先進性能，人們對設(shè)備的依賴愈加明顯，要求所出具的成果精細化程度更高，成果類別更多樣化。因此，一套完善的工作流程機制，標準精細的數(shù)據(jù)成果將是今后該類工作的關(guān)鍵核心。

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P2[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～230～1

王劍（1982～），男，碩士，工程師。。