三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用

狄海宁

南京市博物总馆 江苏 南京 210000

古建筑修缮看似简单，实则蕴含着许多的讲究。当下古建筑修缮技术的发展有一定的局限性，从事该行业的专业人员较少，且对技术的要求非常严格，工作人员必须要综合考虑古建筑的具体情况，然后有针对性的开展修缮工作，但是在实际工作中，这一工作进展缓慢，耗时耗力，稍有不慎也可能会前功尽弃，因此对新技术的应用也有极高的要求。三维激光扫描技术在古建筑修缮中主要起辅助作用，可对古建筑进行针对性的测绘，以最大限度的帮助修缮。

一、传统修缮技术的概况

随着社会的发展，我国的科学技术突飞猛进，不少技术随之出现，其正在向着更好的方向发展。在我国古建筑的修缮中，在其中运用了三维激光技术，来帮助工作人员更好地修缮古建筑，因为传统的修缮技术在选材方面比较严苛，工艺复杂且耗时耗力；另外，工作人员的数量也有限，其大多都是以师徒间口传心授的方式来获得延续，因为大部分工匠并不擅长用纸和文字进行记录。不仅如此，从历史上流传下来的完整的建筑修缮方法有宋代的《营造法式》与清朝的《工程做法则例》，其从本质上来讲，是不符合建筑学专著要求的，只是朝廷所颁布的关于建筑的规范与制度，让工匠能够严格按照要求来进行建筑，这些与现代政府所颁布的建筑规范和法规相似，都是用来给工作人员提供参考[1]。我国近几十年的古建筑修缮专家虽然撰写出了许多与建筑修缮技术有关的著作，将其用来给历史建筑按照木作、瓦石以及泥漆等几大类型的修缮技术进行一个归纳总结，但是要想把理论研究应用到实际的项目修缮工作中，这是一行比较艰巨的工作，如果单单只靠一个人的力量是完全不行的。此外，在互联网时代到来之前，相关部门要想完成对古建筑的修缮工作，那么在工程前期一定要派工作人员去现场进行勘察测绘。在经过一系列的勘查工作之后，发现建筑很多位于视觉盲区或者隐蔽区，难以捕捉，并且测绘出的数据过于庞大，在进行整理时极易出现遗漏的情况，时效较低，耗费大量的人力物力。

根据目前情况看，每一个古建筑在修缮时都会存在着周期性，不同的修缮团队在对古建筑修缮之前都必须要先测量数据，若数据与上一次出现细微的偏差，其主要原因就是由于日积月累而出现的隐患[2]。另外，不同的修缮团队对古建筑的修缮手法也就不同，那么造成古建筑损失惨重甚至只剩下遗址的原因是由于缺乏专业的手段和的得不到及时有效的修缮，相关部门直接使用了钢筋混凝土对其进行了复原修缮，导致其变成了仿古建筑，失去了其中的价值，在现代社会的发展中形势不容乐观。

二、三维激光扫描技术

（一）三维激光扫面技术的概念

三维激光扫描技术指的是借助计算机和三维扫描仪的力量来获取物体表面的每一个点的坐标以及反射率的信息等，根据计算出的庞大的点云数据信息而快速构建出了三维色彩模型，从而实现了三维、高效、精准以及非接触的测量，在这其中，三维激光扫描仪具有超高的精准度，其能够达到微米，同时也可以对表面凹凸不平的物体进行细部扫描[3]。此外，在古建筑正式施工前的测绘工作中，将三维激光技术应用到其中，其有着突出的表现。

（二）三维激光扫面技术的应用

①项目概况

在本文中，重点探究了三维激光扫描技术在古建筑修缮中的实际应用情况，以明朝洪武年间的崇教寺大成殿为例，探究了该技术在古建筑修缮中的实际应用价值。每一著名古建筑的修建均与当时的思想文化有关，在明清时期，人们较为尊儒，而崇教寺本身便处于人文地理均占优势的东北地区，于洪武年间修建，也被当地人尊为盖州的“孔子庙”。经过多年的风雨侵袭，于清朝康熙年间重建[4]。盗墓爱为止，崇教寺历史已逾300年，风化严重，杂草丛生，一片破败之象。近年来，当地对其进行了修缮，而在崇教寺中修缮中，便深入应用了三维激光扫描技术作为辅助工具，可以说为该古建筑的修缮起到了至关重要的帮助。

②修缮测绘中的应用

在古建筑修缮工作中，测绘是其中的重要环节，无论是过去还是当下，均需要有一定的数据才可进行修缮。应用三维激光扫描技术等先进辅助技术前，均是采用较为低效的标尺测绘、人工记录数据，从实际情况来看，传统的数据测绘工作存在着测绘难度大、数据复杂、无法精确表达重点部分的情况，因此使得修缮工作耗时较长[5]。

自应用三维激光扫描技术后，古建筑修缮工作的整体效率得到了突飞猛进的提升。在崇教寺大成殿的修缮工作中，工作人员通过实地勘察，于大成殿外设置了6个主要控制点，保障各控制点之间通透可视、相互补充，然后通过激光扫描来获取大成殿的相关数据信息，在这一过程中，可将相对破败的大成殿看作一个“整体”，然后将获取的相关数据信息构建为三维立体模型。

在实际的三维激光扫描技术应用过程中，保障精度十分重要，而由于大成殿的整体结构复杂，且殿外的环境也较差，使得测量精度难以保障。经过工作人员的反复论证研究，于殿外采用球形标靶和平面标靶，使得激光扫描形成多边形或三角形，以此来最大限度的获取相关数据信息，同时进行多测扫描、测量，再经过复杂的拼接、去噪、抽稀等步骤后逐步形成了较为精细化的三维模型。

我国自古以来在建筑领域就有极高的造诣，这一点从大部分的古建筑中便可以看出。崇教寺大成殿的整体设计便非常精细，各建筑构件的精细化程度都非常高。而随着各种因素的侵蚀，使得各建筑结构的形变、残损情况较为严重，同时因其精细化程度高的影响，使得三维激光扫描技术的应用难度也有明显提升[6]。

总之，通过三维激光扫描技术的应用，可以有效提升数据信息的精细化程度，同时，随着当下新技术的发展，三维激光扫描技术也能够尽可能的将建筑的材质、色彩、细纹纹理表达出来，且当前三维激光扫描技术在古建筑修缮的应用中，也被应用到了佛香阁、颐和园大戏楼等多个古建筑的修缮中。

③模型信息存档中的应用

三维激光扫描技术是一种非常实用的辅助技术，在古建筑修缮中，具有极高的实效性，在扫描建筑物后通过将数据信息进行分析、整合，通过3D MAX或Rebit等软件的联合应用，可生成相应的三维数字模型，并在每次生成模型后均进行存档，以此来完成“遗产生命周期”。总之，通过在古建筑修缮中应用三维激光扫描技术，可以尽可能的让古建筑展示其原有的历史价值。

三、三维激光扫面技术应用中存在的问题

在正式应用新技术的之前，有一点需要注意，即古建筑的设计、修缮以及复原从来都不是用技术和数据来进行堆砌的，其当中存在着许多人文和艺术的内涵。传统的勘察测绘技术除了对数据进行测量以外，更多的是通过人类的视觉以及触觉来进行感知建筑，那么所有的心得体会都会在之后的古建筑修缮工程中体现出来，这种是软件模型信息根本不能提供的。那么三维激光扫描技术的应用所存在的问题如下：

①根据三维激光扫描系统的扫描原理可以看出，原始的数据主要包含着反射镜在水平方向的旋转角度α、在竖直方向的旋转角度β以及激光反射扫描点到仪器坐标中心的距离s。当外部条件的变化和仪器出现缺陷将会造成不同程度的系统和偶然误差，经过测量所获得的数据存在着大量的游离云点，虽然其可以通过去噪步骤来减少误差，但是其仍然会对以后的生成的三维模型造成影响[7]。

②当代社会出现了三维激光扫描技术，其精度能够高达微米，需要通过Geomagic、Poyworx等工程软件来进行，由此可以制作出高精度的NERBUS模型，但是该方式所需要的点云数据异常的庞大，而且建模的时间也比较长，其不能完全满足当前一些古建筑保护工程的工期要求[8]。

结语：古建筑的修缮工作具有一定的复杂性、专业性，对人力、物力的需求较高，目前，通过三维激光扫描技术的应用，大大提升了修缮效率及质量，本文中便重点探究了三维激光扫描技术在古建筑修缮中的实际应用，并以崇教寺大成殿的修缮为例，分析了该技术的应用优势以及其实际应用中存在的问题，望能够对三维激光扫描技术的发展以及对古建筑的修缮工作做出贡献。