基于三維掃描點云數據的古建筑數字化保護技術

李雪

摘 要：近年來，三維激光掃描技術在古建筑保護修繕方面的應用日漸廣泛。但是目前三維激光掃描的點云數據大多用來進行三維建模或者進行二維線性圖紙的輸出，大量財力物力得來的數據沒有充分發揮作用，因此，文章將對三維激光掃描數據在古建筑數字化保護方面的應用進行研究。

關鍵詞：三維激光掃描；古建筑；數字化保護

隨著我國對建筑遺產保護工作的重視程度逐步增加，對古建筑保護修繕技術的要求也隨之提升。古建筑信息采集作為古建筑保護的基礎性工作具有深遠的意義。近年來，古建筑保護正向著以數字化安全監測為代表的研究性、預防性保護方向發展，這就給古建筑信息的采集、處理、存儲和傳輸以及可視化等多方面提出了更高的要求。

三維激光掃描技術能夠直接快速地獲取實體表面信息。與傳統信息獲取技術相比，它具有非接觸式工作、受外界因素干擾小、掃描速度快、精確度高、兼容性高等各種優點。將三維激光掃描技術引入古建筑的數字化保護中，能夠為古建筑的保護修繕工作提供高精度、完整的空間數據信息。

點云數據是三維激光掃描后得到的數據成果，點云數據是包含點的三維坐標及顏色屬性的點集合，可以進行距離、角度、體積、面積等各種測量工作。但是在三維激光掃描技術引入古建筑保護領域后，如何使用及表達點云數據，在業內缺乏思考及探索，沒有發揮點云數據的真正價值。因此，本文將對三維掃描數據在古建筑數字化保護方面的應用進行研究。

一、基于點云數據的建模及圖紙輸出

在三維激光掃描工作結束后，首先要對點云數據進行處理，為后續的應用打好工作基礎，包括點云坐標確立、去噪和濾波、數據拼接及點云封裝等工作。

基于點云數據的建模主要有多邊形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及復合建模四種方式。除此之外，利用點云數據與BIM相結合，建立參數化模型，還可以滿足數字化保護的存檔、數據庫建立、圖紙輸出、多部門配合等需求。

現狀正射點云圖直接來源于掃描的點云數據，包含了建筑完整的幾何信息，內部結構及周邊的環境信息，無需數據轉換，非常適合古建筑現狀的圖紙記錄。通過導入工程制圖軟件平臺，還可以對點云數據進行標注及測量。

此外，在建筑圖紙表達上，可以將點云正攝圖紙與傳統的CAD圖紙表達相結合。建筑的主體部分用傳統的制圖方式，在點云正攝圖數據的基礎上進行繪制，而紋路比較復雜、裝飾比較繁多的地方運用點云正攝圖紙進行表達。最后將兩部分表達方式合成同一張圖紙，既符合了傳統建筑制圖的要求，又準確直觀地表達了建筑細部。

二、點云數據在古建筑數字化保護方面的應用

（一）點云數據的立體展示應用

在以點云數據為基礎所建立的三維空間模型中，可以采用多視角、動態交互的瀏覽方式，任意選擇觀察的位置以及視線的方向，隨時進行剖切瀏覽，擺脫了以往利用二維圖紙進行解讀信息的局限性，對建筑的內部結構特征也能很準確地解讀。在高精度掃描的數據中，對建筑細部、建筑色彩信息也能更直觀地進行記錄瀏覽。

除此之外，還可以開發相關的互動程序，方便用戶對模型進行更直觀的瀏覽。例如，在立體模型上直觀展示建筑的病害殘損信息，用戶點擊相應病害區域即可顯示建筑的病害類型、面積、程度等相關信息。加入人機互動程序，利用手勢等旋轉、放大建筑模型，將分解的建筑構件移動、拼裝起來。此外，還可以將VR等技術引入古建筑數字化保護中，以點云數據模型為基礎進行立體展示。

（二）點云數據對古建筑安全的監測

1.古建筑安全的信息監測

三維掃描得到的點云數據可以用來分析建筑本體形變、建筑墻面及地面的整體平整度，實時監測建筑病害等。以預設的掃描測繪密度自動獲取數以億計的點位數據，然后通過視覺化表現手段直觀顯示出這些數值的變化關系，有效監測其變形范圍及量級，以達到防災減災的目的。

點云數據能夠直觀地展示建筑物的病害殘損信息，發現古建筑諸如梁、檁、枋等結構出現的下斜、扭曲、變形的細微變化。還可以通過建立軸向垂直平面及三維點云的擬合參考平面，對古建筑的墻體、地面進行分析。通過彩虹圖高程偏差分析，得出殘損病害的具體數值。此外，利用不同時期三維激光掃描得到的點云數據，還可以對病害進行實時監測。具體的變形特征需要提取不同時期三維點云數據變形結果進行對比分析，并在此基礎上預測病害的變化趨勢，這對發現安全問題并及時采取保護防范措施具有重要意義。

2.古建筑環境安全管控

古建筑數字化保護不僅是指建筑本體的保護修繕，也包含對建筑環境的安全管控。古建筑環境管控范圍通常包含平面建設范圍及建設高度控制兩大方面。周邊相關建筑的建設不能超過相應的紅線范圍，而這種紅線是虛擬的，在現實世界中不是真實存在的，這就給執法人員對違章建筑的鑒定帶來了相當大的困難。

三維激光掃描技術能夠得到完整的帶有周圍環境信息的數據模型，在此模型基礎上，根據古建筑保護的相關規定，建立立體的紅線范圍，在模型上直觀顯示。執法人員在現場用手機等便攜式移動拍照設備，對疑似違規的建筑進行拍照取證，按照攝影建模的標準進行數據采集，將所得的圖片發送到后臺工作人員的電腦上，后臺工作人員通過快速的攝影建模，將疑似違規的建筑準確地放入到帶有立體紅線的點云數據模型中，通過建筑是否觸碰到立體紅線，即可直觀地判斷出該建筑是否違章，確保古建筑環境的安全。

（三）點云數據輔助古建筑修繕復原

1.點云數據指導古建筑保護修繕尺度

一座流傳保存至今的古建筑，通常在歷史上已經經歷了幾次修復，不同年代的修復工匠都在該建筑的修繕中摻入了時代與個人因素，形成了尺度形變。并且現存的古建筑大多存在歪閃、殘損等病害，人工測量又帶有主觀誤差性，測量得到的數據失去了原有建筑設計尺度的原真性，如果按照殘損的數據進行修復只能加劇建筑的形變。

要想還原建筑的原真性，我們就要打破傳統的經驗方法的局限，始終把建筑的總體結構視作有機的整體，從整體上把建筑的尺度關系。傳統測繪數據繁雜細碎，點云數據能夠直觀把握建筑的整體尺度，修正建筑因殘損、糟朽造成的誤差。利用三維激光掃描整個建筑所得到的點云數據，通過對比整個梁架體系的尺寸關系，參照《營造則例》等書籍進行數據比對，找出準確的斗口尺寸，進而整體把控建筑的尺度關系，找到古建筑理論上的營造尺度，對后續的修復工作進行修正指導。

2.基于點云數據的古建筑虛擬修復

在古建筑修繕領域，數字虛擬技術的應用日益普及，以點云數據為基礎的數字建模為古建筑的勘察保護、虛擬修復和再現展示提供了完善的數據信息。利用三維激光掃描得到的點云數據，首先進行古建筑及周邊環境的場景塑造，建立古建筑虛擬修復系統，對殘損和病害的部分進行虛擬修復，為古建筑保護修繕方案的制定提供數據支持。還可以建立古建筑彩繪、壁畫的色彩和圖像的數據信息系統， 通過古建筑彩繪和壁畫修復軟件以及古建筑彩繪和壁畫配色軟件的使用，對古建筑彩繪和壁畫高效虛擬修復。

基于點云數據的虛擬修復，可以對修復方案進行反復推敲，避免了因盲目修復對古建筑造成的不可逆轉的傷害，同時也有利于對修復成果進行直觀的展示對比。

三、結語

三維激光掃描技術給古建筑測繪領域帶來了新的發展，本文粗略地探索了三維激光掃描點云數據在古建筑數字化保護方面的應用，具體的實施過程還需要多學科之間的交流，希望古建筑保護工作者拓寬知識領域，積極地進行探索與實踐，充分發揮三維激光掃描數據的價值。

參考文獻：

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作者單位：

北京工業大學；北京市歷史建筑保護工程技術研究中心