梁昭陽

(福建船政交通職業(yè)學院土木工程學院，福建 福州 350007)

為保護世界文化和自然遺產(chǎn)，聯(lián)合國教科文組織于1972年11月16日在第十七次大會上正式通過了《保護世界文化和自然遺產(chǎn)公約》,建立了《世界遺產(chǎn)名錄》。我國擁有豐富的歷史文化資源，據(jù)統(tǒng)計中國已經(jīng)有超過55項被列入遺產(chǎn)名錄，排名第一。在眾多的歷史文化遺產(chǎn)中，古建藝術就是典型的東方文化代表，古建作為一種文化精神的象征和載體，它們是歷史記憶的符號和社會文化發(fā)展的見證者，影響著東方和世界建筑的發(fā)展。保護古建就是保護中國千百年的文化見證，中國古建筑多以木質(zhì)材料為主，其易腐、易燃等特性決定其保存難度大、費用高[1]。加之其具有結構復雜精細等特點，一旦發(fā)生類似巴黎圣母院式的火災或災害，無法復原，其背后的文化價值損失更是巨大。傳統(tǒng)古建保護主要以人工拍照、測量等方式進行數(shù)據(jù)收集建檔，無法完整記錄全部信息[2]。隨著信息技術的發(fā)展，尤其是三維激光掃描技術和計算機技術快速發(fā)展和深入應用，使得古建數(shù)字化保護工作成為當務之急[3]?；跀?shù)字化技術，為古建建立一套全息數(shù)字檔案，才能實現(xiàn)真正讓古建“活起來”。

1 三維技術掃描技術

三維激光掃描技術是近年來出現(xiàn)的新技術，作為一種新興的測繪技術，該技術具有非接觸性、快速性、主動性等特性。與傳統(tǒng)的測量儀器如全站儀等相比，三維激光掃描設備不僅突破了單點的測量方式，而且采集的空間數(shù)據(jù)包含了三維坐標信息，也包含了點位的反射強度等更為豐富的數(shù)據(jù)信息。三維激光掃描儀作為三維激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，是由激光射器、接收器、時間計數(shù)器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD機以及軟件等組成[4]。三維激光掃描儀采用激光三角測距原理，工作時利用水平激光束通過光源孔發(fā)射，掃描物體。當激光束通過高速旋轉的平面鏡時，改變激光發(fā)射角度，從而將激光束發(fā)射到物體表面，物體表面反射激光束，每一條激光線由CCD傳感器采集成一幀數(shù)據(jù)。掃描儀根據(jù)激光測距記錄儀器到目標的距離信息S，并同步測量每個激光脈沖橫向掃描角α(方位角)和縱向掃描角β(仰角)，從而獲得激光脈沖的空間方位信息，再通過三角函數(shù)轉換即可得到每個點云的三維坐標信息[5]，原理如圖1所示。因此，通過高速激光掃描測量的方法，可快速大面積獲取被測對象表面的高分辨率的三維坐標數(shù)據(jù)。由于其具有快速性、數(shù)字化、自動化、非接觸等特性，被廣泛應用于土建施工、橋梁監(jiān)測、工程改造、古跡測量等方面[6]。

2 技術路線

為了加強對文物的保護，繼承中華民族優(yōu)秀的歷史文化遺產(chǎn)，促進科學研究工作，2017年對《中華人民共和國文物保護法》進行了修訂，新法實施以來，古建文物保護得到進一步重視。各地方都開展了古建保護數(shù)字化的新技術探索和嘗試，要求進行數(shù)字化建檔。古建筑的數(shù)字化存在諸多難點，要對其進行數(shù)字化保護，就要對建筑群布局、單體建筑的結構、彩塑壁畫、碑刻、斗拱、浮雕等信息進行數(shù)字化采集和記錄。復雜的紋理信息和建筑結構是古建的特點，利用三維激光掃描技術，對古建進行全面掃描，能夠同時獲取點云和影像信息，構建古建三維數(shù)字化模型。本文以某紅磚教堂為例，通過三維激光掃描技術進行掃描，建立點云模型，并形成數(shù)字化成果。具體技術路線見圖2。

3 項目應用

3.1 外業(yè)施測

本次項目采用天寶Trimble X7 3D激光掃描儀，其采用數(shù)字化脈沖EDM激光頭，掃描頻率500 kHz/s，最大測程80 m，測距精度2 mm，每分鐘掃描達到600萬個點，測量速度快。同時該掃描儀還集成了3個同軸1 000萬像素相機，掃描的同時還能夠快速進行圖像捕捉，獲得全視野的全景圖和彩色點云，能夠滿足針對古建復雜紋理和結構精細化掃描工作要求。根據(jù)制定的掃描方案，首先進行現(xiàn)場踏勘，確認建筑周邊環(huán)境后，綜合考慮掃描儀的作業(yè)半徑和掃描質(zhì)量等因素，進行合理布點。根據(jù)現(xiàn)場情況，測站布設時，實際測站間隔在5 m左右，同時需避開樹木、路燈等遮擋物，保證掃描點云的有效性。然后進行建站掃描，根據(jù)掃描建筑的實際情況將激光掃描距離設置為30 m，減少多余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。同時掃描時確保相鄰測站的掃描重疊率不低于30%，保證數(shù)據(jù)的拼接。在外業(yè)掃描過程中，針對部分構件存在遮擋或某些紋理復雜的特殊區(qū)域需要精細化掃描等情況，可以適當增加掃描分辨率和密度，對其細部結構精細精確掃描。此外，掃描時外業(yè)人員要同步進行外業(yè)記錄，如：拍照、特殊區(qū)域草圖繪制、其他信息記錄等。在每次掃描結束后，需及時通過平板對掃描后的點云效果進行查看，檢查是否存在遺漏、缺失等情況，如發(fā)現(xiàn)及時進行補測，或在下一測站調(diào)整掃描范圍。為了提升外業(yè)掃描效率，可根據(jù)不同的被測物體，設定不同采樣間距，在掃描古建外立面時根據(jù)實際范圍合理選取掃描區(qū)域，在掃描古建內(nèi)部結構時，采用360°×360°全景式掃描方式。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結束后，通過配套數(shù)據(jù)線或內(nèi)存卡將原始數(shù)據(jù)導出至計算機，再將外業(yè)所測數(shù)據(jù)導入到點云數(shù)據(jù)處理軟件RealWorks中。在數(shù)據(jù)處理前，首先需要對外業(yè)原始數(shù)據(jù)的齊全性、完整性和可用性進行檢查，并確保每一測站之間存在公共點可以進行配準。其次建立測站點云、全自動配準、配準精度檢測、目視檢測配準效果，并對一些不必要的噪點進行分割刪除，去除“飛點”等范圍外的點云，以及對于特別密集的點云數(shù)據(jù)進行重新取樣抽稀處理，以減少后續(xù)作業(yè)過程中繁重的處理過程。經(jīng)過配準后的點云數(shù)據(jù)得到整體三維點云模型，還需根據(jù)古建測繪建檔的要求，進行平面、立面、剖面圖的圖件繪制。因此，要對配準后的三維點云模型進行裁切，裁切前需要對模型進行坐標校正，建立正交坐標系，通常在主立面上選定3個點建立平面，并以此為坐標系參考面，建立正交坐標系。最后，將三維點云模型進行裁切，按照平面、立面、剖面分別進行裁剪，形成相應的裁切后點云數(shù)據(jù)，供后續(xù)圖件繪制使用。

3.3 內(nèi)業(yè)繪圖

將三維點云模型切片后的點云成果導入到AutoCAD制圖軟件中，利用其點云加載功能完成點云數(shù)據(jù)導入，為了在繪圖過程中減少計算機負擔，加載前需對點云數(shù)據(jù)進行適當抽稀和厚度裁切處理，保留各面點云厚度約10 cm即可。按照切片后的點云影像，依據(jù)古建測繪建檔繪圖要求進行圖件繪制，內(nèi)業(yè)繪圖人員分別進行古建的立面圖、平面圖、剖面圖的繪制，整飾后就得到古建存檔所需的成果圖件，如圖3所示。繪圖過程中，針對窗花、文字等復雜的表面紋理信息采集，可結合照片等影像資料進行繪制，能夠提升作業(yè)效率和質(zhì)量。

3.4 精度分析

為檢驗三維激光掃描模型成果的精度，本次綜合選取了建筑5條邊進行尺寸精度檢查，檢驗成果精度。采用人工對建筑進行實地量取5條邊長并記錄，外業(yè)量取時采用激光測距儀，然后將人工量取結果與模型成果進行對比，得到精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計表 cm

由表1精度統(tǒng)計可知，經(jīng)過三維激光掃描的點云模型在邊長數(shù)據(jù)上與人工激光測距儀所測得邊長整體誤差3.1 cm，能夠滿足古建筑測繪規(guī)范的尺寸檢查中誤差限差要求。

4 結語

古宅古建筑等歷史建筑不僅僅是文化的傳承，也是國家和民族的記憶。三維數(shù)字化技術對于歷史建筑的保護，建立數(shù)字檔案具有重要意義。采用三維激光掃描測繪新技術可自動獲取空間內(nèi)所有物體的三維點云數(shù)據(jù)，且測量速率是傳統(tǒng)測量工具所無法比擬的。通過三維激光掃描技術在古建保護中的應用實踐表明：

1)其高精度和高密度的掃描方式，能夠為古建保護提供全面、真實、準確、可靠的數(shù)據(jù)成果。

2)在歷史建筑存檔測繪中，不僅存檔了CAD的文本線畫圖，更是存檔了三維點云矢量圖，能全面無死角的對歷史建筑進行真正意義上的現(xiàn)代化“數(shù)字化”存檔。

3)通過三維激光掃描技術獲取到的建筑物三維數(shù)據(jù)，具有靈活的可操作性，便于編輯和存檔。

古建保護工作任重道遠，現(xiàn)代化的數(shù)字化存檔可以全面保留歷史建筑的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，后期借助計算機數(shù)據(jù)處理軟件對古建三維數(shù)據(jù)進行編輯、再次完善，通過建立三維數(shù)據(jù)進行管理平臺，不僅能夠為古建日后的年久翻修或風化復原提供基礎數(shù)據(jù)，還能夠為旅游開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。