三维激光扫描技术在广西客家围屋保护工作中的应用探讨

欧波

（广西民族博物馆，广西 南宁 530028）

三维激光扫描技术是高速激光扫描测量技术，通过快速扫描被测物体表面结构，获取高精度扫描点云数据和表面空间坐标数据，能快速对物体进行三维建模和重现，能有效反映客观事物的真实形态特征，具有高效率、高精度、高密度、无接触、实时性强、安全性高等特点，因此在文物数字保护领域应用越来越广泛，并逐渐成为当前文物保护技术研究热点之一[1]。

1 三维激光扫描仪技术在客家围屋保护工作中的优势

客家围屋是客家人的代表性民居，是客家人迁徙的历史见证物，具有重要的历史、艺术和文化价值。重要建筑需要采用积极的手段进行保护，为建筑的保护和修复、管理和展示提供科学完整的依据。

1.1 有效提高效率，提供可靠数据依据

三维激光扫描技术克服了传统测量技术中耗时长、效率低、工作量大、数据不够准确等局限，能快速获取扫描物体的立体信息，清晰描述其整体和关键要素，扫描面积大，抗干扰性强，极大的提高了数据的获取能力和工作效率，高精度的准确数据也为建筑保护修复方案的制定提供了可靠的科学依据。

1.2 转变工作重点，侧重研究保护

以往围屋保护工作中，建筑本体的测量耗费了工作人员大量精力，运用三维激光扫描技术，可以把研究者从琐碎的基础工作中解放出来，更专注于文物的分析、研究和保护工作中。

1.3 助力科学建档，逆向重建工程成为可能

三维激光扫描技术实现了围屋全方位真实、准确的数字化记录，生成了一系列实体建筑空间、点、线、面、体等标准翔实的数据，为建筑原始资料的档案建立、修缮和复建等保护工作提供了科学的依据，也使三维逆向重建工程的实现成为了可能。

1.4 成果数字化，增强科普宣传力度

通过三维激光扫描技术获取的三维数据成果，具有可视化、仿真化、数字化和精细化等特点，在互联网时代赋予了鲜活的生命力。这些形象生动的数字成果对文化机构展览的直观展示、社会教育的科普宣传、优秀遗产文化的传播和弘扬都起到了积极的作用。

2 项目概况

全国重点文物保护单位广西贺州市八步区莲塘镇仁冲村的江氏围屋始建于清光绪年间，规模宏大，保存完好，具有独特的建筑艺术风格和深厚的历史和文化价值，是广西客家围屋的杰出代表。由广西民族博物馆组织文化遗产保护科技公司启动的广西民族文化“1+10”陈列文物数字化保护项目中，采用了三维激光扫描技术对围屋进行数据采集并取得了一系列的成果。成果广泛应用于博物馆的陈列展示和科普宣传工作中，获得了良好的社会反响。

3 实施工作流程

3.1 前期工作

3.1.1 开展文献资料收集，走访当地建造工匠，为后期围屋建筑形制、建筑复原动画符合事实和科学原理提供依据。

3.1.2 收集测量区域和附近已有的控制测量成果及地形图资料。

3.1.3 外业踏勘，为避免数据采集时发生意外对工作环境、作业安全系数进行分析，定制技术路线。

3.2 现场工作

3.2.1 三维激光数据采集。围屋建筑体量比较大，共占地23亩，四堂四横，16 个天井，厢房100 多间。根据现场环境详细勘察，围屋内部数据采集利用Faro Foucs3D120 相位式三维激光扫描仪进行多角度激光扫描获取围屋激光点云数据；围屋外部数据采集采用大疆无人机全景扫描结合三维激光扫描的方式进行数据采集。

标靶布设：在保证通透性的情况下均匀布设球形标靶，扫描仪与标靶的+间距基本控制在2-10 米范围内。

激光扫描：仪器架设注意场地平整度，扫描时遵循多视角、全面覆盖扫描原则，合理设计扫描采样密度，获取三维激光扫描原始点云数据和全景影像数据。为确保每站扫描获取表面完整数据，两测站间扫描表面重叠度至少控制在30%以上（在保证采样率和拼接精度的前提下，合理设置最少架站数量以提升后期内业数据处理效率）。针对较高部位，在确保扫描采样间距不变的条件下增加扫描距离进行分层扫描；针对复杂表面，加大扫描密度进行针对性扫描仪获取完整特征数据[2]。

搬站：此项目围屋内、外部扫描期间共布置了104 个站点。

见图1、2。

3.2.2 围屋表面高清纹理数据采集。围屋立面及屋顶的高清纹理信息采用高清单反相机和无人机进行影像信息采集，采集过程遵循从整体到局部，先全景后细节的原则，注意不同时期光线对成片的影像，保证在最小数据量的情况下完成所有纹理采集完整；用于制作正射影像的照片重叠度控制在30%左右。

图2 采集作业现场

3.3 数据处理、三维模型

Faro 三维激光扫描仪自带的Sence 软件可适当对原始点云数据进行预处理，这里我们使用了中海达自主研发的点云预处理软件（HD 3LS Scene）和基于AUTO CAD 平台二次开发的三维激光点云建模软件（HD PtCloud Modeling），对原始点云数据进行点云拼接、去除噪点、点云分类、过滤等预处理，统一空间坐标系将点云和影像配准，使点云自动赋色生成影像点云。根据点云轮廓线提取快速构建模型，对模型进一步高清纹理贴图处理，制作出标准三维模型[3]。（图3-7）

图3 HD PtCloud Modeling 自动化建模流程

图4 点云模型

图5 三维素模

图6 围屋三维模型

图7

3.4 精度说明

三维激光扫描获取的建筑三维坐标数据，精度可达到毫米。本次项目采用的三维激光扫描仪为Faro Foucs3D120，所取得的成果误差主要出自设备的测距精度（25 米处误差2 毫米范围内）、球形标靶识别精度（约1.5 毫米）和全站仪的测量精度三个方面[4]。

4 成果应用

基于三维数字模型，我们可以制成各类剖面图、结构图、工程图；实现空间模型完全一体化和模型建构的完全可逆操作，进行虚拟现实或模拟修复应用；帮助研究人员更开展围屋形制结构、营造方法等多个领域的深入及拓展研究。

4.1 可实现任意测量功能

通常在建筑保护与修复过程中，现状测量是否准确和全面？直接关联着建筑结构变形分析的判断和图纸设计的精确。高密度、可视化的三维激光点云数据和仿真模型，将有助于我们对建筑整体形态、结构、重要构建等关键信息的观测和分析研究。我们可以利用三维点云模型或高精度的三维模型，根据具体需求生成各类建筑的线划图、建筑的平、立、剖面图等。具体可直接运用点云处理软件或者三维建模软件，与AutoCAD 联合进行基于点云或模型的二维多段线量测、三维多段线量测、平面拟合、球面拟合和柱面拟合，进行任意视图的单切片、多重切片处理和截面管理等。相比较点云数据的转换效率，通过三维模型进行绘制切面的方法要相对效率更高。数字成果直观、便捷、智能地实现了对建筑任意的点、线、面、空间的测量及对称性和形变分析等操作，数据精准，为工作人员后续围绕建筑开展系列基础的研究和保护工作提供了科学支持。

图8 生成线划图

4.2 正射影像图

纹理映射是制作正射影像图的关键，纹理映射是通过空间投影关系，将三角网模型与相应照片对应融合生成虚拟彩色模型，经过映射纹理模型输出的正射影像能够按照模型的几何精度来表现建筑表面的各类特征，这对建筑外形结构及表面信息保留具有重要意义。

4.3 基于模型的分析研究、宣传应用（包括研究、保护、修复、重建等）

三维激光扫描取得成果的数字化的特点，还可以对建筑部件实现模拟修复、重建等完全可逆操作的演示应用，这对文保修复方案的制订、大众科普和文物展示宣传工作都起到了积极的作用。

图9 建筑三维复原动画片段节选

项目中，我们撰写围屋建筑形制构造复原动画的分镜头脚本，根据动画分镜头脚本设置动画运动轨迹和渲染参数，通过分析各物件材质需求布置灯光、配置音乐，从整体上把握动画的节奏和风格，并在视频合成软件中进行合成了长达7 分49 秒的贺州客家围屋建筑形制构造复原动画。动画内容主要包括围屋的建造过程和建筑本体游览，清晰地展示出了贺州客家围屋的形制构造，生动再现了围屋精湛的建造技艺。

5 结论

三维激光扫描技术为建筑遗产的保护提供了一种可靠的数字保护方法，它极大的提升了文化遗产的科学保护手段，目前已经广泛地应用到文保工作的各个领域。随着这项技术的不断成熟和软、硬设备的进一步发展，其记录的对象、获取及管理数据的功能也将越来越强大，我们在应用这项技术的同时，也要注意和其他技术手段的相互补充和借鉴，继续探索其在建筑遗产保护领域中的勘查设计、安全监测、工程实施和保护管理等各方面的广泛应用，这还需要我们文物保护工作者不断拓宽知识领域，继续加强学科交流并积极探索实践。