基于三維掃描對特色古建筑數字化保護技術研究

蔡志文

（閩南理工學院，泉州 362700）

古建筑延續了歷史文脈，是人類文明的載體。隨著社會經濟的發展，古建筑的價值逐漸受到人們的高度重視，對于古建筑必須采取積極地手段、先進的技術進行保護和利用。

1 古建三維激光掃描儀

Focus S350是目前古建筑數據化保護過程中經常使用的重要儀器之一，具有顯著的運用優勢。

1.1 應用廣泛

Focus S350操作簡單，設計緊湊，完美適應于各種應用，包括工廠工業，復雜結構記錄，存儲罐體以及文物保護等[1]。

1.2 精確快捷

Focus S350以97.6萬點/秒的速度構造一個精確到毫米級的真實世界的三維數據[1]。

1.3 操作簡單

Focus儀器本身內置電池，操控系統，配備直觀的觸控大屏，因此可以像使用一臺數碼相機一樣簡單的操作。能夠實現對結合較為復雜的古建筑多個角度的數據采集[2]。

1.4 緊湊便攜

世界目前最小，最輕便的三維激光掃描儀，重量僅為4.2kg，Focus S系列激光器如此小巧便攜，可以帶到任何地方。在古建筑數據采集方面運用價值顯著。

2 古建三維激光掃描在特色古建筑保護中的運用價值

傳統的古建測繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙以及一些文字錄。三維激光掃描技術是通過高密度的掃描點來表達和記錄被測物體尺寸和形態的技術，點云數據是最為原始的測量數據，被測物體的三維幾何信息都蘊含在點云數據中。立體模型可構建三維數字模型，作虛擬現實和模擬修復等應用，亦可制成各類工程圖、結圖、切面圖等。

三維激光掃描采用非接觸式的測量方式，具有快速、精確、多方位、“所見即所得”等特點，為古建筑提供了具有革命性的方法。三維激光影像掃描能夠快速獲取點密度和精度都非常高的建筑物點云數據，將所測量的對象進行1∶1的實景復制三維成型，由傳統的實地野外手工測量轉變為室內計算機對點云數據的高精度測量[3]。

全面的古建筑模型信息可以幫助研究人員更加深入地研究古建筑的結構、藝術價值、營造方法。在古建修繕工作中，進行準確、全面的現狀測量是分析結構變形和繪制設計圖紙的基礎工作。掃描數據的高密度、可視化、三維數字化為測量以及修復提供了更加精確更加完善的依據。

3 三維掃描等數字化技術在古建筑保護中的運用策略

在目前互聯網技術以及信息技術快速發展的背景下，對古建筑保護提供了有效方式，在古建筑相關資料的采集、存取、轉化以及處理等層面上均可運用，為古建筑保護提供了一定的數據參考依據。在計算機的運用之下能夠對損害的文物進行有效修復，在數字化技術的運用之下，建立對古建筑的一種新的保護方式。

3.1 運用三維激光掃描技術

在古建筑的保護過程中，工作人員可以運用三維激光掃描技術對古建筑的特征信息進行記錄，以此促進古建筑的三維數據處理[4]。

在古建筑三維技術運用過程中可以采用全球定位系統、測量機器人、全站儀、近景拍攝測量等等現代技術，對古建筑的相關數據達到最大化地測量。在對古建筑的工作現場進行探查過程中采用三維激光掃描 技術，對其表面的各個數據點進行依次掃描與測量，依次得到精度較高的三維坐標點云數據。

將采集得到的各個數據點輸入至電腦之中，即時存儲，并據此構建古建筑實體三維模型。對其表面裂紋進行分析，判斷激光往返折射的時間，采用現代化軟件，對古建筑的相關信息進行記錄。以此提升工作人員的工作效率，并為古建筑的文化保護與宣傳提供數據參考。

3.2 對古建筑的三維空間采集

在古建筑三維數據處理的重要前提是三維空間數據的采集。四川樂山文廟建筑是四川省內具有重要價值的建筑，具有15 m梁高，殿內柱子較多，遮擋較為嚴重，掃描難度較大，在掃描過程中要求優化站點布置。建筑內具有較為復雜的柱礎石雕等構件空間結構，要求使用具有較高精度的儀器。在對其進行三維數據掃描過程中運用 RTK 在建筑外部設置控制點，在建筑內部設置了全站儀，地面掃描中運用的主要儀器是Z + F IMAGER 5010C 高精度三維激光掃描儀，在數據采集過程中要求能夠獲取較為全面的三維空間數據，主要在柱子中間設置站點，要求相鄰兩個站點的數據重合率能夠達到20%-30%。數據拼接靶標點可以選擇磁性旋轉靶標或紙質靶標，設置 4 ～5個靶標點，提升數據采集的精確性。靶標點三維坐標的測量上可以運用高精度全站儀。在建筑頂部數據獲取層面上采用搭設腳手架方式，在對部分遮擋區域數據采集上運用手持式三維激光掃描儀。

4 古建筑數據處理過程

4.1 點云去噪

由于一些自然以及人文因素的存在，在三維激光掃描過程中存在著一些干擾噪音，例如人員走動以及樹葉被風吹動的聲音等，為了提升數據處理的精確性，減少數據冗余現象，要求對數據進行有效的去噪處理[5]。

可運用點云過濾算法等，在具體的運用過程中單純采用某一算法往往難以達到有效的去噪效果，以此可以綜合采用手動去噪方法，并運用 LaserControl軟件的濾波功能。

4.2 數據拼接

在不同站點掃描數據的拼接方面可運用的方式進行，可在三維視圖中找到一個相應的掃描站點的標靶，在有效識別之后建立對標靶三維坐標進行拼接處理。

在相關軟件的運用之下，可將點云進行色彩化處理。以此實現有效的數據采集以及預處理，并將其進行有效存儲，對古建筑建立仿真三維數據化檔案。在檔案中保存古建筑的三維空間以及紋理色彩。同時也可將其運用到古建筑的宣傳展示以及修繕設計過程之中。

5 運用三維掃描技術進行數字化保護

5.1 構建三維模型

在對古建筑的保護、修復以及宣傳展示過程中需要全面掌握古建筑的表面特征以及紋理信息。可利用三維掃描數據構建三維仿真模型，運用 ASCII 碼格式在數據庫中輸入古建筑的點云數據。在人機交互作用之下剔除噪音點，并填補其漏洞，之后對數據進行平滑處理，構建三角格網。在擬合曲面以及柵格的構造之下生成三維模型。

5.2 輔助修繕設計

古建筑保護過程中的一項重要工作之一即是對其的修繕作業，具有大量的空間設計數據，具有較高的精度要求。在相關點、面、線數據的提取方面可運用三維激光點云數據，并結合古建筑的保護需求制作立面、平面以及剖面圖件等。

6 結束語

在對古建筑的宣傳保護方面激光掃描技術發揮著重要作用，能夠實現對數據較為準確地記錄，促進數據存檔，同時也對古建筑的修繕提供了更多的數據支持方式，為其提供了有效的數據支撐，在信息獲取上具有全面性以及無接觸式的特征。在古建筑的保護以及修繕過程中可以對此充分利用。