蔡志文

（閩南理工學(xué)院，泉州 362700）

古建筑延續(xù)了歷史文脈，是人類文明的載體。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，古建筑的價(jià)值逐漸受到人們的高度重視，對(duì)于古建筑必須采取積極地手段、先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行保護(hù)和利用。

1 古建三維激光掃描儀

Focus S350是目前古建筑數(shù)據(jù)化保護(hù)過程中經(jīng)常使用的重要儀器之一，具有顯著的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。

1.1 應(yīng)用廣泛

Focus S350操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)緊湊，完美適應(yīng)于各種應(yīng)用，包括工廠工業(yè)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)記錄，存儲(chǔ)罐體以及文物保護(hù)等[1]。

1.2 精確快捷

Focus S350以97.6萬(wàn)點(diǎn)/秒的速度構(gòu)造一個(gè)精確到毫米級(jí)的真實(shí)世界的三維數(shù)據(jù)[1]。

1.3 操作簡(jiǎn)單

Focus儀器本身內(nèi)置電池，操控系統(tǒng)，配備直觀的觸控大屏，因此可以像使用一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)一樣簡(jiǎn)單的操作。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)合較為復(fù)雜的古建筑多個(gè)角度的數(shù)據(jù)采集[2]。

1.4 緊湊便攜

世界目前最小，最輕便的三維激光掃描儀，重量?jī)H為4.2kg，F(xiàn)ocus S系列激光器如此小巧便攜，可以帶到任何地方。在古建筑數(shù)據(jù)采集方面運(yùn)用價(jià)值顯著。

2 古建三維激光掃描在特色古建筑保護(hù)中的運(yùn)用價(jià)值

傳統(tǒng)的古建測(cè)繪方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的最終資料是圖紙以及一些文字錄。三維激光掃描技術(shù)是通過高密度的掃描點(diǎn)來表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸和形態(tài)的技術(shù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是最為原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)物體的三維幾何信息都蘊(yùn)含在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。立體模型可構(gòu)建三維數(shù)字模型，作虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類工程圖、結(jié)圖、切面圖等。

三維激光掃描采用非接觸式的測(cè)量方式，具有快速、精確、多方位、“所見即所得”等特點(diǎn)，為古建筑提供了具有革命性的方法。三維激光影像掃描能夠快速獲取點(diǎn)密度和精度都非常高的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將所測(cè)量的對(duì)象進(jìn)行1∶1的實(shí)景復(fù)制三維成型，由傳統(tǒng)的實(shí)地野外手工測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度測(cè)量[3]。

全面的古建筑模型信息可以幫助研究人員更加深入地研究古建筑的結(jié)構(gòu)、藝術(shù)價(jià)值、營(yíng)造方法。在古建修繕工作中，進(jìn)行準(zhǔn)確、全面的現(xiàn)狀測(cè)量是分析結(jié)構(gòu)變形和繪制設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)工作。掃描數(shù)據(jù)的高密度、可視化、三維數(shù)字化為測(cè)量以及修復(fù)提供了更加精確更加完善的依據(jù)。

3 三維掃描等數(shù)字化技術(shù)在古建筑保護(hù)中的運(yùn)用策略

在目前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，對(duì)古建筑保護(hù)提供了有效方式，在古建筑相關(guān)資料的采集、存取、轉(zhuǎn)化以及處理等層面上均可運(yùn)用，為古建筑保護(hù)提供了一定的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。在計(jì)算機(jī)的運(yùn)用之下能夠?qū)p害的文物進(jìn)行有效修復(fù)，在數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用之下，建立對(duì)古建筑的一種新的保護(hù)方式。

3.1 運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)

在古建筑的保護(hù)過程中，工作人員可以運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)古建筑的特征信息進(jìn)行記錄，以此促進(jìn)古建筑的三維數(shù)據(jù)處理[4]。

在古建筑三維技術(shù)運(yùn)用過程中可以采用全球定位系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人、全站儀、近景拍攝測(cè)量等等現(xiàn)代技術(shù)，對(duì)古建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到最大化地測(cè)量。在對(duì)古建筑的工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探查過程中采用三維激光掃描 技術(shù)，對(duì)其表面的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行依次掃描與測(cè)量，依次得到精度較高的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

將采集得到的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入至電腦之中，即時(shí)存儲(chǔ)，并據(jù)此構(gòu)建古建筑實(shí)體三維模型。對(duì)其表面裂紋進(jìn)行分析，判斷激光往返折射的時(shí)間，采用現(xiàn)代化軟件，對(duì)古建筑的相關(guān)信息進(jìn)行記錄。以此提升工作人員的工作效率，并為古建筑的文化保護(hù)與宣傳提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 對(duì)古建筑的三維空間采集

在古建筑三維數(shù)據(jù)處理的重要前提是三維空間數(shù)據(jù)的采集。四川樂山文廟建筑是四川省內(nèi)具有重要價(jià)值的建筑，具有15 m梁高，殿內(nèi)柱子較多，遮擋較為嚴(yán)重，掃描難度較大，在掃描過程中要求優(yōu)化站點(diǎn)布置。建筑內(nèi)具有較為復(fù)雜的柱礎(chǔ)石雕等構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)，要求使用具有較高精度的儀器。在對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描過程中運(yùn)用 RTK 在建筑外部設(shè)置控制點(diǎn)，在建筑內(nèi)部設(shè)置了全站儀，地面掃描中運(yùn)用的主要儀器是Z + F IMAGER 5010C 高精度三維激光掃描儀，在數(shù)據(jù)采集過程中要求能夠獲取較為全面的三維空間數(shù)據(jù)，主要在柱子中間設(shè)置站點(diǎn)，要求相鄰兩個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)重合率能夠達(dá)到20%-30%。數(shù)據(jù)拼接靶標(biāo)點(diǎn)可以選擇磁性旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)或紙質(zhì)靶標(biāo)，設(shè)置 4 ～5個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)，提升數(shù)據(jù)采集的精確性。靶標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量上可以運(yùn)用高精度全站儀。在建筑頂部數(shù)據(jù)獲取層面上采用搭設(shè)腳手架方式，在對(duì)部分遮擋區(qū)域數(shù)據(jù)采集上運(yùn)用手持式三維激光掃描儀。

4 古建筑數(shù)據(jù)處理過程

4.1 點(diǎn)云去噪

由于一些自然以及人文因素的存在，在三維激光掃描過程中存在著一些干擾噪音，例如人員走動(dòng)以及樹葉被風(fēng)吹動(dòng)的聲音等，為了提升數(shù)據(jù)處理的精確性，減少數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的去噪處理[5]。

可運(yùn)用點(diǎn)云過濾算法等，在具體的運(yùn)用過程中單純采用某一算法往往難以達(dá)到有效的去噪效果，以此可以綜合采用手動(dòng)去噪方法，并運(yùn)用 LaserControl軟件的濾波功能。

4.2 數(shù)據(jù)拼接

在不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的拼接方面可運(yùn)用的方式進(jìn)行，可在三維視圖中找到一個(gè)相應(yīng)的掃描站點(diǎn)的標(biāo)靶，在有效識(shí)別之后建立對(duì)標(biāo)靶三維坐標(biāo)進(jìn)行拼接處理。

在相關(guān)軟件的運(yùn)用之下，可將點(diǎn)云進(jìn)行色彩化處理。以此實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)采集以及預(yù)處理，并將其進(jìn)行有效存儲(chǔ)，對(duì)古建筑建立仿真三維數(shù)據(jù)化檔案。在檔案中保存古建筑的三維空間以及紋理色彩。同時(shí)也可將其運(yùn)用到古建筑的宣傳展示以及修繕設(shè)計(jì)過程之中。

5 運(yùn)用三維掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)

5.1 構(gòu)建三維模型

在對(duì)古建筑的保護(hù)、修復(fù)以及宣傳展示過程中需要全面掌握古建筑的表面特征以及紋理信息?？衫萌S掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建三維仿真模型，運(yùn)用 ASCII 碼格式在數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在人機(jī)交互作用之下剔除噪音點(diǎn)，并填補(bǔ)其漏洞，之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，構(gòu)建三角格網(wǎng)。在擬合曲面以及柵格的構(gòu)造之下生成三維模型。

5.2 輔助修繕設(shè)計(jì)

古建筑保護(hù)過程中的一項(xiàng)重要工作之一即是對(duì)其的修繕作業(yè)，具有大量的空間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，具有較高的精度要求。在相關(guān)點(diǎn)、面、線數(shù)據(jù)的提取方面可運(yùn)用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合古建筑的保護(hù)需求制作立面、平面以及剖面圖件等。

6 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)古建筑的宣傳保護(hù)方面激光掃描技術(shù)發(fā)揮著重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確地記錄，促進(jìn)數(shù)據(jù)存檔，同時(shí)也對(duì)古建筑的修繕提供了更多的數(shù)據(jù)支持方式，為其提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，在信息獲取上具有全面性以及無接觸式的特征。在古建筑的保護(hù)以及修繕過程中可以對(duì)此充分利用。