建筑本體測量與三維激光點云文物建筑數字化保護工程

劉思琦

摘 要：古建筑是全人類的文化遺產，在歷史發展過程中，留下了具有重要意義和研究價值的珍貴文物，但是隨著時間的變遷，環境和人為因素，受到或多或少的破壞，造成不可挽回的損失。現今人們越來越重視對文物的研究與保護。本文以一卷一殿式勾連搭關帝殿為例，利用三維激光掃描技術以及建筑物本體量測獲取全方面數據，最后利用Autodesk 3dsMax軟件進行三維建模。通過實驗證明，此方法可以高效快速的得到1：1復原場景的古建筑建模，為古建存檔、修繕提供真實可靠的數據。

關鍵詞：三維激光掃描;本體量測;Autodesk 3dsMax

1 數據采集

1.1三維激光掃描數據采集

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。

FARO FocusS 350是法如最受歡迎的，簡約輕便且直觀的的三維激光掃描儀，一方面與其他測量方法相比，三維激光掃描儀具有非接觸性，這使其不用接觸文物表面就可以迅速獲取三維坐標信息。在古文物測繪中，不僅提高了測量人員的人身安全，而且最大化的降低了對文物自身的損害。另一方面，功能齊全、進行準確、可與多種通用的商業軟件配合使用等等。全面的現狀測量是分析結構變形和繪制設計圖紙的工作基礎。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，所以對古建筑數據采集使用三維激光掃描儀更加適合。掃描儀參數：

數據采集設備：FARO FocusS 350三維激光掃描儀

激光等級：1級激光

測量速度（pts/秒）：122，000/244，000/488，000/976，000

三維位置精度：10m：2mm/25m：3.5mm

測距誤差：±1mm

文物依照其特點、歷史文化背景、規模大小有很多分類，但沒有統一的分類方法。本次實驗的對象是不可移動文物關帝殿。其屋頂形式為一殿一卷式勾連搭，五檁無廊式大木結構。正式掃描前進行預掃描，確定掃描位置，掃描范圍與掃描站，以保證最佳掃描方案。一站掃描時間約8分鐘。

三維激光掃描快速獲取對象真實的尺寸，但是對于一些掃描死角，并未采集到其有效數據。這時就要利用傳統的古建測繪方法以直尺和角尺、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。

1.2本體測量數據采集

建筑本體測繪首先通過對文保單位文保檔案的調查，明確需測繪的文物建筑，劃定建筑測繪的工作范圍。對于文物建筑，進行反映建筑大木結構、構造、規制等歷史信息的測繪，并繪制CAD圖紙;對于其它復建、新建建筑，則根據實際情況，沿用設計圖紙，或做部分數據補充測繪。

測繪方法：采用三維激光掃描、全站儀及手工測量相結合的方法進行，對于裝飾構件采用近景攝影測量方法以便CAD圖紙的描繪。

各單體建筑的測繪內容包括：臺基、踏步、地面墁磚、大木梁架結構、墻體、鋪作、門窗、裝飾構件、屋頂等建筑要素。

（1）地面測量：臺基總尺寸、柱網、墻體等;柱徑、柱礎的各部分尺寸、柱與墻或門窗交接部分等;臺基、地面的高程和細部，包括踏跺、階條、鋪地磚石、散水等。

（2）檐下、梁架：檐下梁架尺寸，檐柱柱頂柱徑、各梁枋定位、斷面及出頭部分尺寸，斗拱定位尺寸及細部尺寸，檐出部分椽子及連檐等細部尺寸，門窗及墻體上部尺寸等;下金桁及相關梁枋尺寸，包括下金桁高程及斷面尺寸;梁枋點墊板等定位及斷面尺寸;金柱上部尺寸等;上金桁相關梁枋尺寸，包括脊桁、上金桁、下金桁水平間距，上金桁高程及斷面尺寸，梁枋、墊板等定位及斷面尺寸，瓜柱尺寸等;脊桁及相關梁枋尺寸，包括脊桁高程及斷面尺寸，梁枋、墊板等定位及斷面尺寸，瓜柱尺寸等。

（3）屋面測量：總尺寸、重要定位尺寸及高程;屋面曲線;正脊與垂脊斷面、吻獸及各類其他瓦件細節部分尺寸。

（4）建筑油飾彩繪及小木裝修調查記錄：近景影像拍攝，采用多角度，全方位拍攝;對油飾彩繪等文物本體，進行紋理等基本信息的測繪與調查，并提取出相關紋飾記錄信息。

（5）構件材料調查記錄：對建筑物的各個構件材料的信息進行詳盡的記錄，將不同構件的材料名稱通過電子記錄和紙質記錄相結合的方式將構件材料的信息進行采集，并在CAD圖上標明其構件材料特征及規格尺寸，為后期模型的建立做好基礎數據準備。

（6）圖形數據的編輯：對于油飾彩繪及小木作裝修的調查，應建立其正攝影像，采用圖形編輯軟件，對其彩畫紋樣、裝修形式進行線畫描繪與編輯。

2 點云數據處理

固定式三維激光掃描儀在對古建筑群進行掃描時，都要通過多個測站、全方位掃描才能掃描完成，外業數據采集完成后，可利用SCENE軟件對數據進行拼接，使之成為一個整體。整個過程就是點云拼接。點云數據拼接可基于控制點拼接、基于幾何拼接或基于算法拼接等等。將多站點云數據進行處理掃描一系列處理后，可導出掃描點。最后導出切片創建建筑平面圖，為下一步繪平立剖做基礎數據。

3 平立剖繪制與模型建立

切片導出后為tif格式圖片，將其加載到AutoCAD中，按點云圖片進行依比例繪制平立剖圖。

上述過程已經獲取了關帝殿的平面圖和立面圖，這已經具備建立模型數據的條件，本文選用Autodesk 3DsMax軟件對關帝殿進行建模。Autodesk 3DsMax軟件使用者多，容易操作，且可輸出多種數據格式。3DsMax建模分為幾何重建和紋理貼圖。紋理貼圖可1：1比例完全還原古建。如下步驟所示：

（1）在建模前，首先分析建模數據及建模所需的材質貼圖。在CAD軟件中，對平立剖數據進行預處理，刪去無用的費線，如填充的圖案，文字、標尺及圖層等。再將CAD電子圖導入3Dsmax軟件中，注意建模前設置單位為“米”。

（2）在將建模數據導入建模軟件中后，開始進行建模。可利用3Dsmax軟件中幾何體功能按照相應順序進行模型制作。

（3）為滿足1：1完全還原古建筑，我們最后要對幾何模型賦予材質，紋理貼圖。貼圖的材質照片獲取：由專業人員去現場拍攝正射影像照片，要注意避免照片曝光，色差等。具體步驟依據軟件步驟操作。最后根據所需提交的模型格式輸出數據。

4 結束語

本文通過講述古北口關帝殿案例分析來闡明文物建筑數字化保護工作的重要性。以外業數據采集（三維激光掃描、本體量測）、Autodesk 3DsMax三維重建技術。通過此次實驗探究出一條適合文物建筑數字化保護和傳承的實現路徑，對我國古建筑數字化保護有非常重要的意義。