三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的應(yīng)用

狄海寧

南京市博物總館 江蘇 南京 210000

古建筑修繕看似簡(jiǎn)單，實(shí)則蘊(yùn)含著許多的講究。當(dāng)下古建筑修繕技術(shù)的發(fā)展有一定的局限性，從事該行業(yè)的專業(yè)人員較少，且對(duì)技術(shù)的要求非常嚴(yán)格，工作人員必須要綜合考慮古建筑的具體情況，然后有針對(duì)性的開展修繕工作，但是在實(shí)際工作中，這一工作進(jìn)展緩慢，耗時(shí)耗力，稍有不慎也可能會(huì)前功盡棄，因此對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用也有極高的要求。三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中主要起輔助作用，可對(duì)古建筑進(jìn)行針對(duì)性的測(cè)繪，以最大限度的幫助修繕。

一、傳統(tǒng)修繕技術(shù)的概況

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，不少技術(shù)隨之出現(xiàn)，其正在向著更好的方向發(fā)展。在我國(guó)古建筑的修繕中，在其中運(yùn)用了三維激光技術(shù)，來幫助工作人員更好地修繕古建筑，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的修繕技術(shù)在選材方面比較嚴(yán)苛，工藝復(fù)雜且耗時(shí)耗力；另外，工作人員的數(shù)量也有限，其大多都是以師徒間口傳心授的方式來獲得延續(xù)，因?yàn)榇蟛糠止そ巢⒉簧瞄L(zhǎng)用紙和文字進(jìn)行記錄。不僅如此，從歷史上流傳下來的完整的建筑修繕方法有宋代的《營(yíng)造法式》與清朝的《工程做法則例》，其從本質(zhì)上來講，是不符合建筑學(xué)專著要求的，只是朝廷所頒布的關(guān)于建筑的規(guī)范與制度，讓工匠能夠嚴(yán)格按照要求來進(jìn)行建筑，這些與現(xiàn)代政府所頒布的建筑規(guī)范和法規(guī)相似，都是用來給工作人員提供參考[1]。我國(guó)近幾十年的古建筑修繕專家雖然撰寫出了許多與建筑修繕技術(shù)有關(guān)的著作，將其用來給歷史建筑按照木作、瓦石以及泥漆等幾大類型的修繕技術(shù)進(jìn)行一個(gè)歸納總結(jié)，但是要想把理論研究應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目修繕工作中，這是一行比較艱巨的工作，如果單單只靠一個(gè)人的力量是完全不行的。此外，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來之前，相關(guān)部門要想完成對(duì)古建筑的修繕工作，那么在工程前期一定要派工作人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察測(cè)繪。在經(jīng)過一系列的勘查工作之后，發(fā)現(xiàn)建筑很多位于視覺盲區(qū)或者隱蔽區(qū)，難以捕捉，并且測(cè)繪出的數(shù)據(jù)過于龐大，在進(jìn)行整理時(shí)極易出現(xiàn)遺漏的情況，時(shí)效較低，耗費(fèi)大量的人力物力。

根據(jù)目前情況看，每一個(gè)古建筑在修繕時(shí)都會(huì)存在著周期性，不同的修繕團(tuán)隊(duì)在對(duì)古建筑修繕之前都必須要先測(cè)量數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)與上一次出現(xiàn)細(xì)微的偏差，其主要原因就是由于日積月累而出現(xiàn)的隱患[2]。另外，不同的修繕團(tuán)隊(duì)對(duì)古建筑的修繕手法也就不同，那么造成古建筑損失慘重甚至只剩下遺址的原因是由于缺乏專業(yè)的手段和的得不到及時(shí)有效的修繕，相關(guān)部門直接使用了鋼筋混凝土對(duì)其進(jìn)行了復(fù)原修繕，導(dǎo)致其變成了仿古建筑，失去了其中的價(jià)值，在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中形勢(shì)不容樂觀。

二、三維激光掃描技術(shù)

（一）三維激光掃面技術(shù)的概念

三維激光掃描技術(shù)指的是借助計(jì)算機(jī)和三維掃描儀的力量來獲取物體表面的每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及反射率的信息等，根據(jù)計(jì)算出的龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息而快速構(gòu)建出了三維色彩模型，從而實(shí)現(xiàn)了三維、高效、精準(zhǔn)以及非接觸的測(cè)量，在這其中，三維激光掃描儀具有超高的精準(zhǔn)度，其能夠達(dá)到微米，同時(shí)也可以對(duì)表面凹凸不平的物體進(jìn)行細(xì)部掃描[3]。此外，在古建筑正式施工前的測(cè)繪工作中，將三維激光技術(shù)應(yīng)用到其中，其有著突出的表現(xiàn)。

（二）三維激光掃面技術(shù)的應(yīng)用

①項(xiàng)目概況

在本文中，重點(diǎn)探究了三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的實(shí)際應(yīng)用情況，以明朝洪武年間的崇教寺大成殿為例，探究了該技術(shù)在古建筑修繕中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。每一著名古建筑的修建均與當(dāng)時(shí)的思想文化有關(guān)，在明清時(shí)期，人們較為尊儒，而崇教寺本身便處于人文地理均占優(yōu)勢(shì)的東北地區(qū)，于洪武年間修建，也被當(dāng)?shù)厝俗馂樯w州的“孔子廟”。經(jīng)過多年的風(fēng)雨侵襲，于清朝康熙年間重建[4]。盜墓愛為止，崇教寺歷史已逾300年，風(fēng)化嚴(yán)重，雜草叢生，一片破敗之象。近年來，當(dāng)?shù)貙?duì)其進(jìn)行了修繕，而在崇教寺中修繕中，便深入應(yīng)用了三維激光掃描技術(shù)作為輔助工具，可以說為該古建筑的修繕起到了至關(guān)重要的幫助。

②修繕測(cè)繪中的應(yīng)用

在古建筑修繕工作中，測(cè)繪是其中的重要環(huán)節(jié)，無論是過去還是當(dāng)下，均需要有一定的數(shù)據(jù)才可進(jìn)行修繕。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)等先進(jìn)輔助技術(shù)前，均是采用較為低效的標(biāo)尺測(cè)繪、人工記錄數(shù)據(jù)，從實(shí)際情況來看，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)繪工作存在著測(cè)繪難度大、數(shù)據(jù)復(fù)雜、無法精確表達(dá)重點(diǎn)部分的情況，因此使得修繕工作耗時(shí)較長(zhǎng)[5]。

自應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)后，古建筑修繕工作的整體效率得到了突飛猛進(jìn)的提升。在崇教寺大成殿的修繕工作中，工作人員通過實(shí)地勘察，于大成殿外設(shè)置了6個(gè)主要控制點(diǎn)，保障各控制點(diǎn)之間通透可視、相互補(bǔ)充，然后通過激光掃描來獲取大成殿的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，在這一過程中，可將相對(duì)破敗的大成殿看作一個(gè)“整體”，然后將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)信息構(gòu)建為三維立體模型。

在實(shí)際的三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用過程中，保障精度十分重要，而由于大成殿的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且殿外的環(huán)境也較差，使得測(cè)量精度難以保障。經(jīng)過工作人員的反復(fù)論證研究，于殿外采用球形標(biāo)靶和平面標(biāo)靶，使得激光掃描形成多邊形或三角形，以此來最大限度的獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)進(jìn)行多測(cè)掃描、測(cè)量，再經(jīng)過復(fù)雜的拼接、去噪、抽稀等步驟后逐步形成了較為精細(xì)化的三維模型。

我國(guó)自古以來在建筑領(lǐng)域就有極高的造詣，這一點(diǎn)從大部分的古建筑中便可以看出。崇教寺大成殿的整體設(shè)計(jì)便非常精細(xì)，各建筑構(gòu)件的精細(xì)化程度都非常高。而隨著各種因素的侵蝕，使得各建筑結(jié)構(gòu)的形變、殘損情況較為嚴(yán)重，同時(shí)因其精細(xì)化程度高的影響，使得三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用難度也有明顯提升[6]。

總之，通過三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提升數(shù)據(jù)信息的精細(xì)化程度，同時(shí)，隨著當(dāng)下新技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也能夠盡可能的將建筑的材質(zhì)、色彩、細(xì)紋紋理表達(dá)出來，且當(dāng)前三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕的應(yīng)用中，也被應(yīng)用到了佛香閣、頤和園大戲樓等多個(gè)古建筑的修繕中。

③模型信息存檔中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)是一種非常實(shí)用的輔助技術(shù)，在古建筑修繕中，具有極高的實(shí)效性，在掃描建筑物后通過將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、整合，通過3D MAX或Rebit等軟件的聯(lián)合應(yīng)用，可生成相應(yīng)的三維數(shù)字模型，并在每次生成模型后均進(jìn)行存檔，以此來完成“遺產(chǎn)生命周期”。總之，通過在古建筑修繕中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以盡可能的讓古建筑展示其原有的歷史價(jià)值。

三、三維激光掃面技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

在正式應(yīng)用新技術(shù)的之前，有一點(diǎn)需要注意，即古建筑的設(shè)計(jì)、修繕以及復(fù)原從來都不是用技術(shù)和數(shù)據(jù)來進(jìn)行堆砌的，其當(dāng)中存在著許多人文和藝術(shù)的內(nèi)涵。傳統(tǒng)的勘察測(cè)繪技術(shù)除了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量以外，更多的是通過人類的視覺以及觸覺來進(jìn)行感知建筑，那么所有的心得體會(huì)都會(huì)在之后的古建筑修繕工程中體現(xiàn)出來，這種是軟件模型信息根本不能提供的。那么三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用所存在的問題如下：

①根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)的掃描原理可以看出，原始的數(shù)據(jù)主要包含著反射鏡在水平方向的旋轉(zhuǎn)角度α、在豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度β以及激光反射掃描點(diǎn)到儀器坐標(biāo)中心的距離s。當(dāng)外部條件的變化和儀器出現(xiàn)缺陷將會(huì)造成不同程度的系統(tǒng)和偶然誤差，經(jīng)過測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)存在著大量的游離云點(diǎn)，雖然其可以通過去噪步驟來減少誤差，但是其仍然會(huì)對(duì)以后的生成的三維模型造成影響[7]。

②當(dāng)代社會(huì)出現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)，其精度能夠高達(dá)微米，需要通過Geomagic、Poyworx等工程軟件來進(jìn)行，由此可以制作出高精度的NERBUS模型，但是該方式所需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)異常的龐大，而且建模的時(shí)間也比較長(zhǎng)，其不能完全滿足當(dāng)前一些古建筑保護(hù)工程的工期要求[8]。

結(jié)語(yǔ)：古建筑的修繕工作具有一定的復(fù)雜性、專業(yè)性，對(duì)人力、物力的需求較高，目前，通過三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，大大提升了修繕效率及質(zhì)量，本文中便重點(diǎn)探究了三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的實(shí)際應(yīng)用，并以崇教寺大成殿的修繕為例，分析了該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及其實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，望能夠?qū)θS激光掃描技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)古建筑的修繕工作做出貢獻(xiàn)。