基于三维激光扫描技术的古建筑修复工程应用

■王剑

（湖南省地质测绘院湖南衡阳421001）

基于三维激光扫描技术的古建筑修复工程应用

■王剑

（湖南省地质测绘院湖南衡阳421001）

本文主要阐述三维激光扫描技术在古建筑修复工程测量工作上的应用，就古建筑中不易采集的距离数据、角度数据以及立面图、俯视图和倾斜度等线划图、三维模型等成果的制作流程进行分析。

三维激光扫描线划图 三维模型

三维激光扫描技术诞生于上世纪九十年代，是一项新兴的高精密测绘技术，其利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。当前，许多古建筑修复工程在制作数据线划图时，主要还是依靠传统的手绘草图、尺寸量取，再进行电脑内业制图的方式完成，不仅耗时长，工序繁琐，而且时常需要反复核对，在不易量取的位置，还只能通过公式推算的方式，来获取尺寸，因此急需一种新兴的测绘方式来完成这项工作。三维激光扫描技术在古建筑保护上的优势，最突出的优势在于它解决了一些传统测绘和摄影技术因场地受限而无法测绘和照相的问题，在不用接触实物的情况下，较好的避免了施测者对古建筑的直接损害。根据此技术提供的数据，能够生成古建筑各方向的剖、立、平面图，在深度和广度上为修复与保护工作提供了准确的第一手资料，使文物以多个角度得以呈现。通过精细扫描，还可以精确分析出古建筑的破损、虫害等病理情况，而根据项目的需求，数据采集密度的要求不同，形成的数据成果要求也不一样，但总体来说主要有：①基础的点云数据；②用于修复的带有尺寸标注的线划图成果，其中主要有俯视图，立面图和倾斜图等；③用于模拟、观赏的三维模型数据。本文将以衡阳市古建筑来雁塔修复工程为例,以Leica ScanStation2为数据采集工具，进行工作流程及技术分析。

1　三维激光扫描系统简介

三维激光扫描系统的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理的过程，它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标物体采样的结果。三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。通过测量扫描仪到目标点的距离值和激光束的水平方向值和竖直方向值计算激光脚点的三维坐标。

2　数据基础——点云数据

三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的集合，通过模块化软件和配套插件,软件系统完成数据的管理、点云拼接、建模、制图和CAD系统的通讯协同等任务，为各种工程应用提供基础数据。通过三维扫描系统获取点云数据进而生成的模型不仅具有工程应用中一般模型的所有特点，而且可以获得真实尺寸。（如图1为来雁塔点云效果图）。根据项目需要，点云数据采集的密度应依据实际要求而设定，对于雕花、纹理、篆刻等具有代表性的建筑物构件，需要进行毫米级的精细扫描，规则的建筑构件可放宽扫描采样间隔。

3　数据成果

3.1线划图

图2　来雁塔立面图

图3　来雁塔倾斜图

为了获取文物目标详实的立面结构数据，使用三维激光扫描技术，通过逐片测定所选立面三维坐标的方法，结合立面测绘数据（经过必要的数据投影变换）以及其它有关数据生成文物目标的线化图。三维激光扫描仪数据处理软件Cyclone提供了面向AutoCAD的专用接口。将扫描的点云数据导入AutoCAD中进行处理，获取建筑的立面图、俯视图以及倾斜图等，注明各条边的长度,为规划改造提供真实可靠的数据资料。立面图和俯视图的比例尺一般设为：1: 100。数字线画图（DLG）成果为DWG或DXF格式，长度单位为米，精确到毫米。在古建筑修复中，涉及的很大一部分修复工程是处理病虫害、风化，雨水冲刷等造成的损害，因此了解具体的损害程度，包括成因，面积，走势等都需要通过线划图进行直观的反应。在对这部分进行数据处理时，就需要结合点云数据、立面图、等值线图和影像图统筹分析，其中立面图注重表面细节，等值线图注重结构数据，将两者进行信息叠加将相得益彰，互为补充，影像图对比参考。如图2为来雁塔点云立面效果图，在有破损的地方根据成因的不同也以不同形式的表示方式进行了特别的标注。倾斜图主要反映建筑物的是否因地质构造变化或人为破坏而引起的沉降现状，其分析的对象主要有三个方面：一是建筑物整体的中心轴

图4　来雁塔三维模型

的倾斜情况；二是建筑物各楼层的倾斜距离位移情况；三是建筑物各楼层的角度倾斜情况。如图3为来雁塔的倾斜效果图，其中分别标注了各层的距离和角度偏移，整体的倾斜情况可以单独书写。

3.2三维模型构建

三维数字模型的构建有多种方法，对于非规则形态的文物对象最常用的是通过构建三角网（将相邻的离散点按照特定的要求连接起来构成不规则三角网（TIN）立体模型或进一步构成规则格网Grid立体模型）的方式进行3D数据模型重构。精确3D数据模型重构是实现目标三维可视化、模型表面精确的纹理映射、空间仿真和虚拟现实，再现客观事物真实形态和物理特性的关键。利用点云数据可以方便的生成各种文物对象精确的三维数字模型，然而这种模型通常没有纹理信息，俗称“白模”。在获取文物目标良好的数字影像和精确的三维数字模型后，利用3DMax等模型软件可完成模型的纹理映射工作，使得几何模型具有真实的彩色纹理。具有纹理信息的三维数字模型是实现文物虚拟展示的基础。如图4为来雁塔三维模型，该模型能直观的反映实物本体现状，犹如身临其境。

4　总结

当前，三维激光扫描技术越来越受到文保单位的青睐，随着相关设备的不断推陈出新以及愈加智能的先进性能，人们对设备的依赖愈加明显，要求所出具的成果精细化程度更高，成果类别更多样化。因此，一套完善的工作流程机制，标准精细的数据成果将是今后该类工作的关键核心。

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P2[文献码]B

1000～405X（2016）～4～230～1

王剑（1982～），男，硕士，工程师。。