三維激光掃描技術在文物建筑測繪中的應用研究
——以成都杜甫草堂工部祠為例

文／方 舟 四川大學建筑與環(huán)境學院 實驗師 碩 士

廖一聯(lián) 四川音樂學院成都美術學院 講 師 碩 士

王昊舒 四川大學建筑與環(huán)境學院 實驗師 碩 士（通訊作者）

引言

在對文物建筑的保護中，無論是進行維護修繕還是科學研究，無論是開展文化交流還是宣傳展示，其中一個重要而基礎的環(huán)節(jié)就是全面獲取它的真實信息并測繪成圖[1-3]。在傳統(tǒng)的古建筑測繪中，獲取構建幾何信息的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，外業(yè)工作的成果是手繪圖紙和一些文字記錄，很難精確地記錄古建筑的尺寸和現(xiàn)狀信息[4]，在后續(xù)制圖工作中涉及復雜建筑空間的組合、復雜建筑細節(jié)的再現(xiàn)時極易出現(xiàn)錯誤與遺漏。三維激光掃描技術作為現(xiàn)實捕捉技術的一種類型，在采集對象形態(tài)數(shù)據(jù)和材質信息過程中具備高精度、無接觸、全方位等優(yōu)勢[5]，非常適合應用于文物建筑的掃描測繪。文章以全國重點文物保護單位——成都杜甫草堂工部祠三維激光掃描項目為例，介紹項目的全過程，對關鍵技術環(huán)節(jié)進行詳細說明與經驗總結，并對該技術當前的技術優(yōu)勢、痛點與前景展開分析與討論，以期能對相關研究及實踐提供參考。

1 項目前期準備

1.1 制定工作方案

在文物建筑的三維激光掃描項目中，工作方案因為掃描對象和項目需求的不同會有比較大的區(qū)別，須合理、靈活地進行方案設計。首先，在開展三維激光掃描之前，必須進行現(xiàn)場踏勘，對研究目標的總體情況、建筑和構件的材質及色彩屬性、實際應用中對數(shù)據(jù)的需求進行總體把握[6,7]。現(xiàn)場踏勘完成工作方案制定以后開始數(shù)據(jù)采集，操作時須按方案有序進行，做好各步驟的文字記錄，最好還能同時采集圖像以供后續(xù)工作時參考。掃描數(shù)據(jù)最好能在現(xiàn)場進行初步導出與檢查，便于及時補測采集效果不佳或遺漏的部分。而進一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應用工作則可離開現(xiàn)場以內業(yè)方式進行。本次掃描工作方案如表1 所示。

表1 掃描工作方案（表格來源：作者自繪）

1.2 掃描設備與數(shù)據(jù)處理軟件

本次項目位于市區(qū)，交通條件、環(huán)境條件良好，儀器的搬運與架站都比較方便，同時項目對掃描精度還有一定要求。綜合這些因素，本次項目選用徠卡P16 三維激光掃描儀，以及配套的徠卡Cyclone 點云處理軟件。

徠卡P16 三維激光掃描儀掃描速率高達1 000 000 點/秒，最大掃描范圍80m，精度0.5mm@50m；用1550nm 激光，提高了峰值功率，對于深色或高反射物體的掃描更加精確；具備HDR 圖像技術，內置相機可快速獲取與人眼視覺效果相近的圖片，方便點云處理及紋理貼圖。徠卡Cyclone 點云后處理軟件可支持海量點云數(shù)據(jù)處理，對點云進行拼接、建模、分析和各種量測十分方便，與業(yè)內其他點云處理軟件相比最大優(yōu)點是運行流暢、穩(wěn)定。

1.3 人員配置

本次項目雖場地條件好，無須安排人力對現(xiàn)場堆積物、遮擋物等進行清理，但由于是4A 級旅游景區(qū)，現(xiàn)場人流量大，所以還是安排了一名主操作人員和兩名助手，共計外業(yè)人員三人，助手除在掃描換站時協(xié)助搬運儀器和調平外，還承擔了在儀器運轉時勸導游客不要圍觀、維持現(xiàn)場秩序的任務。

2 掃描參數(shù)設置

在進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程中，核心技術環(huán)節(jié)是對每一站掃描進行合理的參數(shù)設置。設置項目主要包括掃描精度設置、掃描模式設置、掃描范圍角度設置與掃描站位確定等，設置時需要綜合考慮項目需求、掃描對象特征、外業(yè)工作條件等因素。設置完成、開始掃描后，儀器即自動進行本站掃描作業(yè)，期間無須人力介入。

2.1 掃描精度設置

掃描精度是指掃描的精細程度，也稱之為掃描分辨率。徠卡P16 三維激光掃描儀共有50mm@10m、25mm@10m、12.5mm@10m、6.3mm@10m、3.1mm@10m、1.6mm@10m、0.8mm@10m 七階精度設置，在掃描范圍角都為360°的情況下，其所耗費時間分別為23 秒、35秒、1 分5 秒、2 分42 秒、5 分21 秒、21 分17 秒、1 小時25 分2 秒，精度與耗時關系如圖1 所示。

圖1 P16 掃描精度與耗時關系表（范圍角360°）（圖片來源：作者自繪）

當精度設置高于常規(guī)精度3.1mm@10m 后，掃描所需時間大幅升高。理論上，越高的精度設置會帶來越密集、越詳細、越貼近實際情況的點云數(shù)據(jù)，但在外業(yè)工作中，越高的精度設置還意味著更高的時間成本和人力成本投入，并且由于高精度掃描得到的點云數(shù)據(jù)量極為龐大，會導致后續(xù)內業(yè)工作時間大幅加長，對計算機的性能要求也大幅提高，所以一味追求高精度設置是不合理、不明智的，需要結合項目的實際需求來合理安排。

2.2 掃描模式設置

徠卡P16 三維激光掃描儀具備HDR 圖像采集功能，能夠采集掃描目標的高清、高色彩還原度圖像作為參考，自動對所獲點云數(shù)據(jù)的每一個點進行“著色”，從而得到一個極為逼真還原的三維點云模型，在正常縮放比例下用肉眼觀察幾乎與實景無異。這一功能為后期點云數(shù)據(jù)拼接與應用，以及掃描成果展示帶來極大的便利與更多的可能性。但由于HDR 圖像采集與激光掃描是獨立的兩個過程，儀器會在激光掃描作業(yè)完成后開始HDR 圖像采集作業(yè)，所以在開啟HDR 模式時，掃描儀完成一站掃描任務的時間包含了激光與HDR 兩部分。本次項目須采用HDR 模式工作，故預計工作時間時需要把兩部分時間都考慮進去。

2.3 掃描范圍角度設置

徠卡P16 三維激光掃描儀可在掃描時設置各站的掃描范圍角度，一般情況下為了將掃描主體與周邊環(huán)境一次性掃描下來，會將參數(shù)設置為360°（環(huán)形掃描）。在個別情況下，如補充掃描時，可根據(jù)需求設置一個適合的掃描范圍角。掃描范圍角度設置越大，掃描時間會同比增加。

2.4 掃描設站

掃描站位設置十分重要，直接影響到數(shù)據(jù)的質量、后期處理難易程度以及外業(yè)、內業(yè)工作的效率。對于一個單體建筑，設四站即可將其外觀基本掃描完成，但一般會結合建筑的形態(tài)、高度與細節(jié)豐富程度，考慮增加設站數(shù)。但是與精度設置類似，雖然理論上越多的站位會帶來越詳細、越完整、越無死角的點云模型，但考慮到工作效率與成本，同樣需要結合項目需求來合理安排設站。

3 具體操作及討論

在本次項目中，針對建筑進行了兩輪掃描，一次為常規(guī)精度掃描、一次為高精度掃描，其目的是綜合比較完成兩次掃描所花費的時間成本、人力成本，以及數(shù)據(jù)成果，得出更適合該項目的掃描參數(shù)設置方案，為日后的同類型項目提供參考。

3.1 外業(yè)工作

掃描對象是一座單體建筑，形態(tài)上除正立面的檐廊外基本沒有更多的凹凸進退，但有坡屋頂和較為豐富的細節(jié)，所以在距離建筑較近的四角站位基礎上還增加了三個較遠的站位，目的是為了減小仰角，讓激光束能打到坡屋面上，獲取盡可能多的屋面和屋脊細節(jié)。室內為單一空間，屋頂?shù)酌嬉矡o吊頂遮擋，原本只需設置2 ～3 站即可，但考慮到建筑的窗格、佛龕、屋頂?shù)酌娴扔休^為豐富的裝飾與構造細節(jié)，設置了呈2 橫3 縱布局的6 站，以獲取更詳細的數(shù)據(jù)。工部祠掃描項目共設13 站，站位圖如圖2 所示。

圖2 站位圖（圖片來源：作者自繪）

由于工部祠建筑體量不大，本次掃描采用了P16 掃描儀的無標靶掃描功能，掃描時無須預先放置球形或平面標靶，只要確保各站間有公共掃描區(qū)域存在，即可在Cyclone 軟件中進行無標靶點云自動拼接，一定程度上降低了外業(yè)工作的時間和人力成本。

常規(guī)精度輪掃描參數(shù)設置為精度3.1mm@10m、HDR 開啟、范圍角度360°，單站平均耗時16 分鐘，共設13 站，總耗時約4 小時。高精度輪掃描參數(shù)設置為精度1.6mm@10m、HDR 開啟、范圍角度360°，單站平均耗時33分鐘，供設7 站，只在第一輪設站的點位1、2、5、8、9、12、13 處設站，總耗時4.5 小時，兩輪掃描的參數(shù)設置如表2 所統(tǒng)計。

表2 兩次掃描參數(shù)設置與耗時統(tǒng)計（表格來源：作者自繪）

3.2 內業(yè)工作

外業(yè)階段完成后，轉到內業(yè)階段繼續(xù)工作。首先要將各站點云數(shù)據(jù)導入Cyclone 軟件拼接，得到初步的模型。隨后需要對模型進行去噪點處理，在三維激光掃描過程中，由于自然和人為因素的影響，會產生一些干擾的“噪音點”，如建筑周圍的樹木、人員移動等[8]。這些噪點目前更多地依賴人工來甄別并從模型中刪去，最終的三維點云模型如圖3 所示。拼接后的常規(guī)精度點云模型大小為26.9GB，處理耗時30min；高精度點云模型大小33GB，處理耗時1.5h，模型數(shù)據(jù)如表3 所統(tǒng)計。

圖3 拼接、去噪后的點云模型（圖片來源：作者自繪）

表3 兩次掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)計（表格來源：作者自繪）

利用Cyclone 強大便利的點云數(shù)據(jù)處理與切片能力，導出平面圖、縱橫兩個方向的剖面圖、四個朝向的立面圖以及屋頂平面圖作為參照，完成建筑的CAD 制圖（圖4）。同時導出剖面、平面方向上的剖透視圖作為技術成果展示所需的素材。

圖4 點云切片與CAD 測繪圖（圖片來源：作者自繪）

3.3 結論

前文提到，掃描項目的外業(yè)作業(yè)時間由掃描精度設置、是否采用HDR 圖像采集模式、掃描范圍角度設置、設站數(shù)量四方面共同決定。

（1）在CAD 制圖過程中發(fā)現(xiàn)，常規(guī)精度掃描（3.1mm@10m）獲得的模型切片已足夠作為建筑平、立、剖面圖的制圖參照，僅在作細部構件的大樣圖時，使用更高精度（1.6mm@10m）的點云切片能方便制圖者更快地區(qū)分出構件的凹凸面和陰陽面、提高工作效率，繪制不規(guī)則線條時的參照點也更多，線條與實際情況的擬合程度更高，故最合理的精度設置方案是常規(guī)精度掃描為主，按需對有精確表達需求的位置進行適度高精度掃描。

（2）由圖1 可知，兩站常規(guī)精度掃描（3.1mm@10m）所耗時間與一站高精度掃描（1.6mm@10m）相近，故在本項目以及類似文物建筑測繪的項目中、在花費同樣時間成本的前提下，宜選擇進行更多站的常規(guī)精度掃描，這樣可獲得更多可互補的點云數(shù)據(jù)，拼接后的點云模型死角更少更完整，事實上會更有利于后續(xù)制圖。

（3）高精度點云數(shù)據(jù)的處理對計算機性能的要求很高，本次高精度輪的掃描站數(shù)少于常規(guī)精度輪，除了外業(yè)時間與人力成本的考量，還有對計算機性能的考量。事實上，在拼接好一半站位的點云數(shù)據(jù)時，計算機的壓力已經相當大了。為避免獲得了點云數(shù)據(jù)卻無法使用的尷尬，掃描作業(yè)時還需要考慮所用計算機的處理能力。

4 技術優(yōu)勢與痛點總結

4.1 優(yōu)勢總結

（1）精度極高，與卷尺、垂球、激光測距儀打點動輒10cm 以上誤差的傳統(tǒng)方式相比，三維激光掃描技術將數(shù)據(jù)精度提高了不止一個級別。

（2）三維激光掃描技術被歸為一類現(xiàn)實捕捉技術，它從原理上杜絕了測繪錯誤的發(fā)生，使本身極為考驗專業(yè)能力的內業(yè)制圖作業(yè)變得像“依葫蘆畫瓢”那么簡單。

（3）工作效率高，無接觸作業(yè)，對工作人員和文物建筑本身的安全都有利。

（4）降低從業(yè)人員門檻，外業(yè)部分工作只要懂得儀器操作即可完成；內業(yè)部分工作已不再是必須要非常熟悉中國古建筑才能做，但仍需具備一定建筑學專業(yè)知識。

（5）三維激光掃描技術將文物建筑信息化、數(shù)字化，納入到建筑信息技術的框架下，打開了與BIM（建筑信息模型）、VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強現(xiàn)實）等技術結合的通道，未來能夠衍生出更多樣的課題與更豐富的成果。

4.2 痛點總結

雖說三維激光掃描技術有著發(fā)動行業(yè)革命級別的技術優(yōu)勢，但一些技術痛點也確實存在，客觀上減緩了它推廣的腳步。

（1）掃描設備和配套軟件、能夠運行軟件的計算機系統(tǒng)都比較昂貴，基層文保單位購置自用不太現(xiàn)實。目前將掃描這部分工作外包給專營測繪的單位是一種折衷的方式，但可能短期內存在需求與供應相互協(xié)調磨合的問題。

（2）對掃描對象的環(huán)境有一定的要求，如現(xiàn)場需要有足夠的空間來架設儀器；雨雪云霧天氣會對掃描結果造成不利影響；現(xiàn)場人流、植物會遮擋激光束，產生很多噪點，影響掃描結果。

（3）對于高度較高的文物建筑，由于儀器有掃描距離限制，在掃描建筑較高標高處時需要將儀器送到相應高度，同時固定調平后才能執(zhí)行掃描作業(yè)，有時這是難以實現(xiàn)的；對于建筑內外有結構遮擋的位置，除非拆除現(xiàn)有結構否則無法對其所遮擋的部位進行掃描，但文物建筑的任何部分都是不可能說拆就拆的。

結語

本文介紹了應用三維激光掃描技術對成都杜甫草堂工部祠建筑進行測繪的過程，驗證了這一技術路線的可行性，并通過關鍵技術環(huán)節(jié)的實踐操作與對比分析，討論了適合該項目及類似項目的技術方案，最后總結了該技術在文物建筑測繪工作中的優(yōu)勢與痛點。相信隨著三維激光掃描技術的進一步發(fā)展，其技術優(yōu)勢會更明顯，其成本會調整至一個合適的范圍，一些影響應用的技術痛點最終會得到解決。