歐波

（廣西民族博物館，廣西 南寧 530028）

三維激光掃描技術(shù)是高速激光掃描測量技術(shù)，通過快速掃描被測物體表面結(jié)構(gòu)，獲取高精度掃描點云數(shù)據(jù)和表面空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能快速對物體進行三維建模和重現(xiàn)，能有效反映客觀事物的真實形態(tài)特征，具有高效率、高精度、高密度、無接觸、實時性強、安全性高等特點，因此在文物數(shù)字保護領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，并逐漸成為當(dāng)前文物保護技術(shù)研究熱點之一[1]。

1 三維激光掃描儀技術(shù)在客家圍屋保護工作中的優(yōu)勢

客家圍屋是客家人的代表性民居，是客家人遷徙的歷史見證物，具有重要的歷史、藝術(shù)和文化價值。重要建筑需要采用積極的手段進行保護，為建筑的保護和修復(fù)、管理和展示提供科學(xué)完整的依據(jù)。

1.1 有效提高效率，提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)中耗時長、效率低、工作量大、數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確等局限，能快速獲取掃描物體的立體信息，清晰描述其整體和關(guān)鍵要素，掃描面積大，抗干擾性強，極大的提高了數(shù)據(jù)的獲取能力和工作效率，高精度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)也為建筑保護修復(fù)方案的制定提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

1.2 轉(zhuǎn)變工作重點，側(cè)重研究保護

以往圍屋保護工作中，建筑本體的測量耗費了工作人員大量精力，運用三維激光掃描技術(shù)，可以把研究者從瑣碎的基礎(chǔ)工作中解放出來，更專注于文物的分析、研究和保護工作中。

1.3 助力科學(xué)建檔，逆向重建工程成為可能

三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了圍屋全方位真實、準(zhǔn)確的數(shù)字化記錄，生成了一系列實體建筑空間、點、線、面、體等標(biāo)準(zhǔn)翔實的數(shù)據(jù)，為建筑原始資料的檔案建立、修繕和復(fù)建等保護工作提供了科學(xué)的依據(jù)，也使三維逆向重建工程的實現(xiàn)成為了可能。

1.4 成果數(shù)字化，增強科普宣傳力度

通過三維激光掃描技術(shù)獲取的三維數(shù)據(jù)成果，具有可視化、仿真化、數(shù)字化和精細化等特點，在互聯(lián)網(wǎng)時代賦予了鮮活的生命力。這些形象生動的數(shù)字成果對文化機構(gòu)展覽的直觀展示、社會教育的科普宣傳、優(yōu)秀遺產(chǎn)文化的傳播和弘揚都起到了積極的作用。

2 項目概況

全國重點文物保護單位廣西賀州市八步區(qū)蓮塘鎮(zhèn)仁沖村的江氏圍屋始建于清光緒年間，規(guī)模宏大，保存完好，具有獨特的建筑藝術(shù)風(fēng)格和深厚的歷史和文化價值，是廣西客家圍屋的杰出代表。由廣西民族博物館組織文化遺產(chǎn)保護科技公司啟動的廣西民族文化“1+10”陳列文物數(shù)字化保護項目中，采用了三維激光掃描技術(shù)對圍屋進行數(shù)據(jù)采集并取得了一系列的成果。成果廣泛應(yīng)用于博物館的陳列展示和科普宣傳工作中，獲得了良好的社會反響。

3 實施工作流程

3.1 前期工作

3.1.1 開展文獻資料收集，走訪當(dāng)?shù)亟ㄔ旃そ?，為后期圍屋建筑形制、建筑?fù)原動畫符合事實和科學(xué)原理提供依據(jù)。

3.1.2 收集測量區(qū)域和附近已有的控制測量成果及地形圖資料。

3.1.3 外業(yè)踏勘，為避免數(shù)據(jù)采集時發(fā)生意外對工作環(huán)境、作業(yè)安全系數(shù)進行分析，定制技術(shù)路線。

3.2 現(xiàn)場工作

3.2.1 三維激光數(shù)據(jù)采集。圍屋建筑體量比較大，共占地23畝，四堂四橫，16 個天井，廂房100 多間。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境詳細勘察，圍屋內(nèi)部數(shù)據(jù)采集利用Faro Foucs3D120 相位式三維激光掃描儀進行多角度激光掃描獲取圍屋激光點云數(shù)據(jù)；圍屋外部數(shù)據(jù)采集采用大疆無人機全景掃描結(jié)合三維激光掃描的方式進行數(shù)據(jù)采集。

標(biāo)靶布設(shè)：在保證通透性的情況下均勻布設(shè)球形標(biāo)靶，掃描儀與標(biāo)靶的+間距基本控制在2-10 米范圍內(nèi)。

激光掃描：儀器架設(shè)注意場地平整度，掃描時遵循多視角、全面覆蓋掃描原則，合理設(shè)計掃描采樣密度，獲取三維激光掃描原始點云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)。為確保每站掃描獲取表面完整數(shù)據(jù)，兩測站間掃描表面重疊度至少控制在30%以上（在保證采樣率和拼接精度的前提下，合理設(shè)置最少架站數(shù)量以提升后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率）。針對較高部位，在確保掃描采樣間距不變的條件下增加掃描距離進行分層掃描；針對復(fù)雜表面，加大掃描密度進行針對性掃描儀獲取完整特征數(shù)據(jù)[2]。

搬站：此項目圍屋內(nèi)、外部掃描期間共布置了104 個站點。

見圖1、2。

3.2.2 圍屋表面高清紋理數(shù)據(jù)采集。圍屋立面及屋頂?shù)母咔寮y理信息采用高清單反相機和無人機進行影像信息采集，采集過程遵循從整體到局部，先全景后細節(jié)的原則，注意不同時期光線對成片的影像，保證在最小數(shù)據(jù)量的情況下完成所有紋理采集完整；用于制作正射影像的照片重疊度控制在30%左右。

圖2 采集作業(yè)現(xiàn)場

3.3 數(shù)據(jù)處理、三維模型

Faro 三維激光掃描儀自帶的Sence 軟件可適當(dāng)對原始點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，這里我們使用了中海達自主研發(fā)的點云預(yù)處理軟件（HD 3LS Scene）和基于AUTO CAD 平臺二次開發(fā)的三維激光點云建模軟件（HD PtCloud Modeling），對原始點云數(shù)據(jù)進行點云拼接、去除噪點、點云分類、過濾等預(yù)處理，統(tǒng)一空間坐標(biāo)系將點云和影像配準(zhǔn)，使點云自動賦色生成影像點云。根據(jù)點云輪廓線提取快速構(gòu)建模型，對模型進一步高清紋理貼圖處理，制作出標(biāo)準(zhǔn)三維模型[3]。（圖3-7）

圖3 HD PtCloud Modeling 自動化建模流程

圖4 點云模型

圖5 三維素模

圖6 圍屋三維模型

圖7

3.4 精度說明

三維激光掃描獲取的建筑三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精度可達到毫米。本次項目采用的三維激光掃描儀為Faro Foucs3D120，所取得的成果誤差主要出自設(shè)備的測距精度（25 米處誤差2 毫米范圍內(nèi)）、球形標(biāo)靶識別精度（約1.5 毫米）和全站儀的測量精度三個方面[4]。

4 成果應(yīng)用

基于三維數(shù)字模型，我們可以制成各類剖面圖、結(jié)構(gòu)圖、工程圖；實現(xiàn)空間模型完全一體化和模型建構(gòu)的完全可逆操作，進行虛擬現(xiàn)實或模擬修復(fù)應(yīng)用；幫助研究人員更開展圍屋形制結(jié)構(gòu)、營造方法等多個領(lǐng)域的深入及拓展研究。

4.1 可實現(xiàn)任意測量功能

通常在建筑保護與修復(fù)過程中，現(xiàn)狀測量是否準(zhǔn)確和全面？直接關(guān)聯(lián)著建筑結(jié)構(gòu)變形分析的判斷和圖紙設(shè)計的精確。高密度、可視化的三維激光點云數(shù)據(jù)和仿真模型，將有助于我們對建筑整體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、重要構(gòu)建等關(guān)鍵信息的觀測和分析研究。我們可以利用三維點云模型或高精度的三維模型，根據(jù)具體需求生成各類建筑的線劃圖、建筑的平、立、剖面圖等。具體可直接運用點云處理軟件或者三維建模軟件，與AutoCAD 聯(lián)合進行基于點云或模型的二維多段線量測、三維多段線量測、平面擬合、球面擬合和柱面擬合，進行任意視圖的單切片、多重切片處理和截面管理等。相比較點云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換效率，通過三維模型進行繪制切面的方法要相對效率更高。數(shù)字成果直觀、便捷、智能地實現(xiàn)了對建筑任意的點、線、面、空間的測量及對稱性和形變分析等操作，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，為工作人員后續(xù)圍繞建筑開展系列基礎(chǔ)的研究和保護工作提供了科學(xué)支持。

圖8 生成線劃圖

4.2 正射影像圖

紋理映射是制作正射影像圖的關(guān)鍵，紋理映射是通過空間投影關(guān)系，將三角網(wǎng)模型與相應(yīng)照片對應(yīng)融合生成虛擬彩色模型，經(jīng)過映射紋理模型輸出的正射影像能夠按照模型的幾何精度來表現(xiàn)建筑表面的各類特征，這對建筑外形結(jié)構(gòu)及表面信息保留具有重要意義。

4.3 基于模型的分析研究、宣傳應(yīng)用（包括研究、保護、修復(fù)、重建等）

三維激光掃描取得成果的數(shù)字化的特點，還可以對建筑部件實現(xiàn)模擬修復(fù)、重建等完全可逆操作的演示應(yīng)用，這對文保修復(fù)方案的制訂、大眾科普和文物展示宣傳工作都起到了積極的作用。

圖9 建筑三維復(fù)原動畫片段節(jié)選

項目中，我們撰寫圍屋建筑形制構(gòu)造復(fù)原動畫的分鏡頭腳本，根據(jù)動畫分鏡頭腳本設(shè)置動畫運動軌跡和渲染參數(shù)，通過分析各物件材質(zhì)需求布置燈光、配置音樂，從整體上把握動畫的節(jié)奏和風(fēng)格，并在視頻合成軟件中進行合成了長達7 分49 秒的賀州客家圍屋建筑形制構(gòu)造復(fù)原動畫。動畫內(nèi)容主要包括圍屋的建造過程和建筑本體游覽，清晰地展示出了賀州客家圍屋的形制構(gòu)造，生動再現(xiàn)了圍屋精湛的建造技藝。

5 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)為建筑遺產(chǎn)的保護提供了一種可靠的數(shù)字保護方法，它極大的提升了文化遺產(chǎn)的科學(xué)保護手段，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到文保工作的各個領(lǐng)域。隨著這項技術(shù)的不斷成熟和軟、硬設(shè)備的進一步發(fā)展，其記錄的對象、獲取及管理數(shù)據(jù)的功能也將越來越強大，我們在應(yīng)用這項技術(shù)的同時，也要注意和其他技術(shù)手段的相互補充和借鑒，繼續(xù)探索其在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域中的勘查設(shè)計、安全監(jiān)測、工程實施和保護管理等各方面的廣泛應(yīng)用，這還需要我們文物保護工作者不斷拓寬知識領(lǐng)域，繼續(xù)加強學(xué)科交流并積極探索實踐。