基于三维激光扫描技术的古建筑测绘研究——以斗栱模型实验为例

许 睿，李 鑫

（北方工业大学，北京 100144）

古代木建筑是我国建筑发展历程的重要见证，同时具有历史、艺术和科学等多方面的研究价值，是新建筑设计与新艺术创作的借鉴实证。随着信息时代新技术的发展，古建筑测绘出现了新的可能性，三维激光扫描技术成为古建筑测绘的全新方式，它抛弃了原有以二维平面图纸为切入点的方式，将所有信息直接记录到空间之中形成三维模型，再提取出二维的平面信息制成图纸。

已有部分有关古建筑木构件现代保护方式的研究在进行之中。王茹[1-2]侧重于BIM技术在文物古建筑修缮工作中的应用，在基于BIM技术的文物建筑模型的参数化研究方面取得了一定的成果；李舒静[3]针对GIS技术开展重点研究，从服务文物保护工作层面出发，肯定了BIM技术可以弥补GIS技术在建筑单体、建筑构件层次的不足，提出了“类型树+结构树”的新型信息采集方法；刘茂华[4]基于点云数据，利用Revit软件，通过IFC标准连接，将BIM数据与三维GIS数据融合，实现了室内、外三维一体化模型的构建，主要侧重于现代建筑室内、外环境的融合；石力文[5-6]研究了不同测绘技术在尺寸信息留取方面的利弊，并基于点云数据建立BIM模型来表达古建筑全生命周期信息；还有大量学者[7-10]在此方向上进行研究并得出一定成果。

本文对古建筑木构件的三维激光扫描全过程进行研究，产生装配式木构件信息和整体三维斗栱模型，最终通过信息积累完成木构件数据库的搭建，对于后续工作具有指导意义。对古建筑进行激光测绘和三维重构，在古建筑保护方面有很大的利用空间；对细部及装饰受损的斗栱构件进行原样记录，并生成还原度较高的模型，继而分析因结构内部受力导致的自我破损可能性，预防其坍塌或损毁；对典型斗栱构件的尺寸、木种、搭接方式等进行记录，作为与建筑或构件相匹配的留存档案。

1 实验材料与方法

1.1 实验方法

实验选取斗栱模型作为研究对象，利用三维激光扫描仪进行对象的扫描实验，获取高精度的三维激光扫描模型和详尽的点云数据，之后通过软件平台处理优化扫描结果，生成最终的数字化三维模型文件并存档保留（图1）。

1.2 实验材料

斗栱是中国古建筑特有的一种木构件（图2）。对古建筑木构件来说，斗栱整体内部构件有各个分类，拼装结构复杂，受力等各方面均体现了古代的科学理论，具有保护研究价值。模型构件参照营造法式的记载，用宋式“五辅作单抄单昂柱头辅作偷心造”斗栱为例，整理出一整套宋式斗栱的尺寸样式模板，再通过激光切割机和人工打磨等多重工序，用原始木料制作出各个构件。制作出等比例斗栱构件，共23个单体，包括栌斗、散斗、交互斗、泥道拱、泥道慢栱、华栱、内檐令拱、外檐令拱、内檐耍头、外檐耍头、柱头枋、内檐罗汉枋、衬头枋、下昂。根据自下而上的扫描顺序进行编号处理，1～23的数字编号方式利于同种构件的区分和后续的查阅。

1.3 实验设备

实验外接设备：HandySCAN-700便携式3D扫描仪。设备工作原理：扫描仪不断对目标发射激光，投射到对象上的激光随对象形状发生变形，在扫描时，摄像头拍摄该形状并开始计算，自动生成表面，最终形成完整的扫描模型。HandySCAN-7003D扫描仪详细参数。扫描原件：CDD。扫描范围：0.1～4 m。扫描介质：立体物品。扫描速度：480 000次测量/秒。扫描光源：7束交叉激光线。激光类型：2级（对人眼安全）。仪器尺寸：122 mm×77 mm×294 mm。仪器质量：0.85 kg。仪器接口：USB3.0。仪器精度：最高0.03 mm。工作温度：5～40℃。工作湿度：10%～90%。拼接模式：手动/全自动拼接。

实验设备衔接软件：VXelements软件平台。软件与扫描仪器相连接进行实时的表面生成运算，可在软件平台及时观测扫描成果。此外还应观察细节性的不足与漏洞，以便及时进行修补。最终通过平台保存成果性的STL点云文件，为后续分析工作提供数据信息基础。

1.4 实验过程

实验室利用三维激光扫描技术构建出斗栱木构件的三维点云模型。三维激光扫描仪可以深入到复杂的现场环境中进行细致扫描操作，将各种实体的三维数据直接完整采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型并获取各种制图数据。

1.4.1 实验对象处理

在扫描实验过程中，木构件定位由三角实时测量确定，因此扫描仪无须任何外部定位系统。由于三角测量本身具有定位功能，在扫描前必须对每个木构件进行预先处理，在木构件的表面做反射标记，利用参照物与木构件上的固定点位反射标记，三角测量功能可在体积和空间上提供扫描仪和木构件的相对位置（图3）。根据原理和实际情况，本次实验选取黑色轮廓标点作为空间定位标记，将标记的点片粘贴到各个构件的不同面。

定位点在粘贴过程中需要注意的事项：①标点可使系统在空间自定位且必须应用于平坦表面，例如平面或者大面积的曲面；②标点与边之间的距离最好为12 mm以上。面积过小时可在环境中粘贴辅助标志点；③标志点之间的距离为2～10 mm，任意3点都不是正三角形关系；④扫描物体在移动时，应保证有4个相对固定的公共点位可提供空间相对位置。

1.4.2 扫描获取数据

(1)扫描仪校准（图4）。VXelements软件平台包含用于优化扫描仪校准的应用程序，将扫描仪连接上后通过对校准板的扫描，可利用该应用程序优化校准，完成初步调试。

(2)扫描仪配置（图5）。由于每个被扫描物体表面反射属性不同，需要调节参数，以获得激光线的最佳探测。根据待扫描对象的扫描表面类型来配置激光功率和摄像头快门时间。

(3)激光扫描。HandySCAN-7000扫描仪在调试完毕后，被用于进行三维激光扫描工作（图6、图7）。扫描将激光投射到构件表面并缓慢稳定的移动仪器。通过激光在扫描对象表面的摄像头探测，不断形成表面模型，再通过之前黏附在木构件表面的标靶点形成空间上的定位；稳定移动扫描仪，表面模型获取范围不断增加，最终形成一个与扫描木构件等比例的三维空间点云模型。

第一，合理规划两种放置情况。要对物体进行全方位的扫描，应在顶部与四周扫描完成后，改变物体放置方式，翻转后补充扫描底面，两个摆放位置的扫描路径恰好是两个互补的半球面，从而确保物体表面都被扫描覆盖。

第二，将一整圈合理划分为4个连续区域，角度0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°。依次对这4个区域进行扫描，在完成第4个270°～360°角度区域后再与第一个0°～90°角度区域进行衔接，以保证扫描的延续性。在此过程中不断提升高度，从圆形环带逐步形成半球面的扫描范围（图8）。

第三，翻转扫描对象，将第二步重复进行一次，完成表面缺失部分的扫描。

第四，查看扫描结果并补充，通过VXelements软件平台查看扫描实时结果的完成度，如有扫描遗漏或不完善部分，可以及时进行补充完善。

(4)编辑输出。在VXelements软件平台内在编辑扫描的操作中框选删除明显杂质，完成初步编辑来减轻后续工作。最后将模型的空间网格导出，存储为STL格式文件，留存有三维的空间表面模型和各类数据信息。

1.5 文件保存

将所有的扫描内容经过VXelements软件平台的初步处理，最后留存有23个小型木构架的扫描模型和一个整体斗栱的扫描模型，一共24个STL格式的文件，这些文件作为重要的过程资料应该得到保留，以防备在后继出现问题时可以在步骤中发现并进行弥补。

2 结果处理与分析

2.1 结果处理

前期的扫描已经生成初步的STL格式三维扫描模型，共有1个整体模型和23个木构件模型，这些文件只是经过基本的处理，还需要更加系统的整理优化。后续利用到Geomagic Wrap3D建模数据处理软件，将扫描结果进行细致的优化和处理。

2.1.1 处理流程

由于对保留结果的高精度要求，经过软件处理后的点云模型的会更加细致。具体的操作流程分为点阶段、点云注册、多边形阶段、导出文件4个阶段，并在各个阶段下进行多个细节性操作。

2.1.1.1 点阶段

以斗栱整体的扫描结果为例进行此阶段的叙述。①着色点：为了更加清晰、方便地观察点云形状，将斗拱表面点云进行着色，还原木质形象。②统一采样：在保留物体原来面貌的同时减少点云数量，便于删除重叠点云、稀释点云。③减少噪点：该命令有助于减少在扫描中的噪音点到最小，更好地表现真实的斗栱形状。④体外孤点：该命令表示选择任何超出指定移动限制的点，去除孤立的点云从而保留斗栱本身。⑤非连接项：该命令表示选择偏离主点云的数据。⑥联合点对象：该命令可将多个点云模型联合为一个点云，便于后续的采样、封装等。⑦封装：该命令将点转换成三角面（图9）。

2.1.1.2 点云注册

①手动注册：将23个木构件同时导入，寻找共有位置点，通过点将两片点云进行简单的手动对齐拼接。②全局注册：对点云进行重定义对齐，通过软件利用点位自动对齐。③合并：将多个点云数据直接封装为一个多边形单体模型（图10）。

2.1.1.3 多边形阶段

以1号构件栌斗为例进行此阶段的叙述。①填充孔：填充未封闭的孔洞，扫描完成后栌斗边角位置有很多的孔洞，进行填充及修补；②松弛/砂纸：松弛针对整个模型将表面的小三角面处理平整，而砂纸用于局部的材质凹凸优化使其更加接近真实效果；③去除特征：删除选择的多余三角形，或者去除特殊部分，尽量只保留栌斗本体；④网格医生：自动修复多边形网格内的所有问题，例如大量三角面形成的钉状物或自相交面；⑤编辑边界：修改多边形模型的边界；⑥简化：减少三角面的数量但不影响曲面的形状或颜色，可以大大减小文件的无效数据量（图11）。

2.1.1.4 导出文件

通过以上步骤完成对扫描数据的处理，在管理器面板中右键点击模型，选择“保存”，弹出保存对话框，输入文件名，保存类型选择STL或其他格式，点击保存按钮即可完成模型导出（图12）。

2.1.2 处理结果

初步的扫描结果通过Geomagic Wrap软件平台得到细致的加工，得出完善的STL格式封装文件，作为基础的数据信息化文件保存下来。整体模型经过处理，各种漏洞得到填补，不同因素造成的孤点得到清理，附着杂点得到删除，最终留存下一个完整的斗栱实物扫描STL成果文件（图13）。分解扫描的木构件相较于整体模型得到同样处理的同时，还进行了各个木构件在软件平台内的拼接搭建，按照实体的搭建方式将数据模型融合在一起，形成一个更加细致合理的虚拟斗栱整体模型。两种整体各有优势，整体扫描可以完整记录实体的情况，从而方便文物研究；虚拟的搭建模型则可以为后续的研究提供搭接的最优解，实现保护修缮的最优化处理。

2.2 结果分析

实验整体过程结束，留存大量的STL格式的三维激光扫描文件，对于斗栱形成了系统且详尽的数据信息化记录，是一次较为完整的古建筑木构件三维扫描实验。结果及过程中对之前了解的三维扫描进行了很好的实例验证，也通过具体操作反思了过程中的不足和欠缺，为进一步推进指明了方向。

2.2.1 优势论证

(1)非接触式测量的巨大优势。本次实验选取宋式斗栱木构件，肢体触碰过程的汗渍侵蚀以及标尺的不断晃动，必然会对材质的表面造成磨损，对数据产生影响。三维激光扫描只需要远距离的测绘即可，不会对扫描木构件产生破坏。对于一些场地无法靠近或者结构复杂角度刁钻的高难度古建保护项目来说，这一新型技术手段克服了其中的困难。

(2)完整记录三维信息。全站仪结合近景摄影测量的方式能够实现文物的数字化，但无法精确全面地将文物信息记录下来，三维激光扫描技术弥补了这一缺点，记录的信息在精度和密度上都有所提升，而且形成具象的斗栱三维表面模型，为后续的破损改善工作提供数据支持。

(3)精确定位并记录构件的材料纹理与表面破损（图14、图15）。手动人工测量结合正向数据建模，这种方式只能做出体积等大体上的信息记录。通过三维激光扫描，能够将木构件的表面风化程度等细节性信息都完整记录下来，能够扫描原始木料本身的破损位置和程度。上述问题能够在三维表面模型中空间定位并展示，是古建筑保护的重要细节性信息。

2.2.2 实验过程反思

(1)扫描过程的规范化操作。由于是手持扫描仪，扫描对象是体量较小的木构件，扫描过程中对于手的稳定程度有着极高的要求，同时激光摄入角度和扫描仪工作距离等各类因素都会影响激光的投放射入与数据的回收采集，微小误差就会造成大量体外杂点和表面漏洞，甚至导致点云数据的紊乱和工作量的增加，仍需不断地总结扫描过程中的操作经验，找到合理的扫描方式。

(2)点云数据模型与常用几何模型的完全对接。点云数据整理后形成三维扫描模型的STL文件，留存有空间具象的木构架信息，但是现阶段工程项目中还是以平立剖等传统图纸为主要使用工具。所以点云数据模型文件和几何模型文件的对接十分关键，将二者之间的桥梁打通，能够方便地将STL与DWG、SKP等类型文件在同一平台内完成自由切换，减去不同处理软件切换的复杂过程，才能让三维激光扫描真正的应用到实际项目中去。

3 结束语

(1)随着新兴技术的融入，古建筑保护方式开始转变。木构件信息化是古建筑保护发展的必经之路，三维激光扫描技术所提供的数据化信息模型正是改变古建筑保护方式的开端。通过对三维激光点云数据收集技术进行研究，以期将其衔接到古建筑木构件的信息化处理过程中去，并对古建筑保护工作起到一定的指导作用。

(2)三维激光扫描如今仍处于初始阶段，扫描过程中的高效率和高精度是关键。在进行扫描时，可利用深色背景吸收激光射线，从而隐藏掉木构件之外的杂质。扫描过程最后需要对棱角处进行补充扫描，以保证扫描结果的完整性，需要类似经验性问题进行不断总结，以便使扫描结果更加高效精准。

(3)通过三维激光扫描测绘得出信息化结果文件，这些文件留存的数据信息极其重要。随着科学技术的发展，应该对这些数据进行保留的同时继续进行研究，使其在古建筑保护工作的各个过程中充分发挥作用。例如，古建正逆向建模、古建筑BIM应用、古建筑装配式、结构分析预测、古建筑智能建造和古建筑3D打印等。