三維激光影像掃描技術在洛伽山燈塔上的應用

鄭黎明

摘 要：保燈塔建設年代久遠普遍缺乏地形地貌測量資料、建筑結構詳圖，給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。使用三維激光影像掃描技術，將洛伽山燈塔的三維數據完整的采集到電腦中，快速重構出燈塔及附屬建筑物的空間立體模型，從而快速繪制塔區平面圖和建筑物結構詳圖。

關鍵詞：三維激光影像 掃描技術 洛伽山燈塔

洛伽山燈塔位于浙江省舟山市普陀區境內的洛伽山島的北面，燈塔始建于清光緒十六年即1890年，1931年改建，2013年入選第七批全國重點文物保護單位。燈塔采用青石砌成，塔身為紅白橫帶圓塔，塔高為7米，燈高為40米，燈質為閃（3）紅、白9秒，紅光射程約7.5海里，白光射程約15海里。由于燈塔年代久遠缺乏圖紙資料，達不到全國重點文物保護單位相關要求。因地形地貌測量資料、建筑結構詳圖等缺乏給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，作為數字化三維信息采集手段可獲取任何復雜的現場環境及空間目標的三維立體信息，快速重構目標的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標的數據，再現客觀事物真實的形態特性。本文介紹通過采用三維激光影像掃描技術直接將洛伽山燈塔、附屬建筑及所在島嶼的三維數據完整的采集到電腦中，進而快速重構出整個塔區的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

全國重點文物保護單位對燈塔資料的相關要求

我國目前對于文物保護有《文物保護工程管理辦法》、《中華人民共和國文物保護法實施條例》和《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》等法規，對于文物保護需要收集相關的基礎數據資料，報告文化保護區范圍內的地形圖資料、建筑測量資料、色彩資料、表面精確資料等等。《文物保護工程管理辦法》規定文物搶險加固工程、修繕工程、保護性設施建設工程的立項與勘察設計方案資料包括以下內容：擬立項目保護范圍與建設控制地帶的劃定；保護工程必要性與實施可能性的技術文件與形象資料（錄像或照片）。《中華人民共和國文物保護法實施條例》第十一條規定文物保護單位的記錄檔案，應當包括文物保護單位本體記錄等科學技術資料等內容。文物保護單位的記錄檔案，應當充分利用文字、音像制品、圖畫、拓片、摹本、電子文本等形式，有效表現其所載內容。

由于全國文物保護燈塔建設年代久遠，受當時的技術限制普遍沒有地形地貌資料和建筑尺寸圖紙，在申報項目時候往往缺乏保護范圍線與建設控制線，缺乏建筑物尺寸數據等技術資料，現在隨著科學技術的發展，燈塔建立詳細的數字資料數據庫十分必要。

傳統CAD測量繪圖的局限性

目前很多古代建筑缺少可用的CAD數據，即使建立低水平的細節CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常難測量。傳統的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS軟件建模，最后通過函數接口讀入程序中，從而能夠真實表達建筑物內部的細節特征。這些文件中已將模型剖分為空間三角網，我們只需將這組數據以一定的比例、角度在通過旋轉、平移、縮放在空間坐標系中定位，同時到實地拍攝建筑物的影像，運用圖像處理軟件制作出建筑物的表面紋理，貼附于模型之上，從而實現建筑物模型的重建。這些重建方法一是建模精確不高，無法得到有關表面屬性的拓撲信息和幾何信息，無法清晰表現紋理和材質。二是建模的工作量非常巨大。

三維激光影像掃描技術的介紹

三維激光影像掃描技術是國際上近期發展的一項高新技術，通過高速激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值。其工作原理是將紅外線激光束射到旋轉光學鏡的中心，該光學鏡將使激光在圍繞掃描環境垂直旋轉的方向上產生偏差；之后，將周圍對象的該點處的數據并對該點進行定位。散射光反射回掃描儀，其使用相位偏移技術測量距離，通過使用角度編碼器測量鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的 X、Y、Z 坐標。

三維激光影像掃描由于其每個點都有三維坐標，可提供可量測的畫面數據，其非接觸的數據獲取方式可以有效地減少傳統操作中不必要的破壞以及擬補傳統測量手段的測量死角，快速準確獲取建筑三維數據，極大程度上豐富了三維數據展示的效果。

三維激光影像掃描技術為燈塔提供的技術資料

1、為文保劃定“兩線”提供地形地貌測量資料

《中華人民共和國文物保護法》規定，文物保護單位要劃定保護范圍和建設控制地帶，即“兩線”。其中第九條文物保護單位的保護范圍，是指對文物保護單位本體及周圍一定范圍實施重點保護的區域。第十三條文物保護單位的建設控制地帶，是指在文物保護單位的保護范圍外，為保護文物保護單位的安全、環境、歷史風貌對建設項目加以限制的區域。

2、為維護、修繕和搶修文物工程項目提供詳細的測量尺寸資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》要求建立記錄檔案其中第二部分圖紙、照片、拓片、摹本等。圖紙包括地理位置圖、總平面圖；建筑群體和主要單體的平、立、斷面圖；歷次重要維修的實測、設計、竣工圖。掃描出來的數據模型不僅外形與實物一樣，其包含所有的幾何信息也與實物完全一致，為文物研究及文物保護提供準確的科學數據。三維點云數據可以導入到AutoCAD、Autodesk Revit等軟件中，進行后續的處理與加工，并且可以在Autodesk Revit中通過捕捉點直接繪制生成幾何體。

3、為文物宣傳提供視聽和影像資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》建立記錄檔案其中第三部分電影片、錄像、磁盤及其他信息載體等。三維激光影像掃描技術能在短時間內對所感興趣的區域建立詳盡準確的三維立體影像，經過后期加工制作，可以制作成立體宣傳視頻或者立體實景模型放在網頁上供人瀏覽。

三維激光影像掃描技術實施步驟，第一步配合服務公司進行現場的激光掃描工作，洛伽山海總面積為0.36平方公里，工作時間約5天，工作人員5人；第二步對掃描得到的數據進行處理，使之能夠導入BIM軟件；第三步根據現有圖紙建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光掃描優化BIM模型。后期制作約10天時間，整個過程約需要15天左右的時間。

經過測量洛伽山燈塔精確數據如下：本體建筑坐北朝南，占地面積約12平方米，總高8.835米。基座平面呈圓形，直徑為3.8米，高約0.54米。塔身為磚結構的圓臺形建筑，下底面直徑為3.1米，上底面直徑為2米，高為4.85米，外飾紅白相間帶狀橫紋，辟有一門二窗；內沿塔體置鑄鐵盤旋式樓梯通塔身頂部的平臺。平臺上置燈籠，外圍圓環形帶鐵欄桿的回廊。籠身分為上下兩部分，下部為鋼質籠壁，呈圓柱形，直徑為2米，高1.2米，飾白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最長對徑為1.8米，邊長0.72米，高1.1米。籠頂為鋼質，呈穹頂狀，頂正中心設避雷針。

結束語

相對于傳統的測繪，三維激光影像掃描不僅大量節約時間與人力，而且采集的點云數據可以直接生成三維點云模型，作為電子數據永久存檔，對進行后續環節的工作開展提供了準確詳實的數據支撐，能顯著提高后續工作的效率和質量。

洛伽山燈塔入選“國保”提升這座百年燈塔在全國知名度，三維激光影像掃描技術制作立體模型及視頻使它的歷史價值、文化遺產價值和社會價值更廣泛的得到宣傳、保護、和發展。（作者單位：寧波航標處）

摘 要：保燈塔建設年代久遠普遍缺乏地形地貌測量資料、建筑結構詳圖，給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。使用三維激光影像掃描技術，將洛伽山燈塔的三維數據完整的采集到電腦中，快速重構出燈塔及附屬建筑物的空間立體模型，從而快速繪制塔區平面圖和建筑物結構詳圖。

關鍵詞：三維激光影像 掃描技術 洛伽山燈塔

洛伽山燈塔位于浙江省舟山市普陀區境內的洛伽山島的北面，燈塔始建于清光緒十六年即1890年，1931年改建，2013年入選第七批全國重點文物保護單位。燈塔采用青石砌成，塔身為紅白橫帶圓塔，塔高為7米，燈高為40米，燈質為閃（3）紅、白9秒，紅光射程約7.5海里，白光射程約15海里。由于燈塔年代久遠缺乏圖紙資料，達不到全國重點文物保護單位相關要求。因地形地貌測量資料、建筑結構詳圖等缺乏給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，作為數字化三維信息采集手段可獲取任何復雜的現場環境及空間目標的三維立體信息，快速重構目標的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標的數據，再現客觀事物真實的形態特性。本文介紹通過采用三維激光影像掃描技術直接將洛伽山燈塔、附屬建筑及所在島嶼的三維數據完整的采集到電腦中，進而快速重構出整個塔區的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

全國重點文物保護單位對燈塔資料的相關要求

我國目前對于文物保護有《文物保護工程管理辦法》、《中華人民共和國文物保護法實施條例》和《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》等法規，對于文物保護需要收集相關的基礎數據資料，報告文化保護區范圍內的地形圖資料、建筑測量資料、色彩資料、表面精確資料等等。《文物保護工程管理辦法》規定文物搶險加固工程、修繕工程、保護性設施建設工程的立項與勘察設計方案資料包括以下內容：擬立項目保護范圍與建設控制地帶的劃定；保護工程必要性與實施可能性的技術文件與形象資料（錄像或照片）。《中華人民共和國文物保護法實施條例》第十一條規定文物保護單位的記錄檔案，應當包括文物保護單位本體記錄等科學技術資料等內容。文物保護單位的記錄檔案，應當充分利用文字、音像制品、圖畫、拓片、摹本、電子文本等形式，有效表現其所載內容。

由于全國文物保護燈塔建設年代久遠，受當時的技術限制普遍沒有地形地貌資料和建筑尺寸圖紙，在申報項目時候往往缺乏保護范圍線與建設控制線，缺乏建筑物尺寸數據等技術資料，現在隨著科學技術的發展，燈塔建立詳細的數字資料數據庫十分必要。

傳統CAD測量繪圖的局限性

目前很多古代建筑缺少可用的CAD數據，即使建立低水平的細節CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常難測量。傳統的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS軟件建模，最后通過函數接口讀入程序中，從而能夠真實表達建筑物內部的細節特征。這些文件中已將模型剖分為空間三角網，我們只需將這組數據以一定的比例、角度在通過旋轉、平移、縮放在空間坐標系中定位，同時到實地拍攝建筑物的影像，運用圖像處理軟件制作出建筑物的表面紋理，貼附于模型之上，從而實現建筑物模型的重建。這些重建方法一是建模精確不高，無法得到有關表面屬性的拓撲信息和幾何信息，無法清晰表現紋理和材質。二是建模的工作量非常巨大。

三維激光影像掃描技術的介紹

三維激光影像掃描技術是國際上近期發展的一項高新技術，通過高速激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值。其工作原理是將紅外線激光束射到旋轉光學鏡的中心，該光學鏡將使激光在圍繞掃描環境垂直旋轉的方向上產生偏差；之后，將周圍對象的該點處的數據并對該點進行定位。散射光反射回掃描儀，其使用相位偏移技術測量距離，通過使用角度編碼器測量鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的 X、Y、Z 坐標。

三維激光影像掃描由于其每個點都有三維坐標，可提供可量測的畫面數據，其非接觸的數據獲取方式可以有效地減少傳統操作中不必要的破壞以及擬補傳統測量手段的測量死角，快速準確獲取建筑三維數據，極大程度上豐富了三維數據展示的效果。

三維激光影像掃描技術為燈塔提供的技術資料

1、為文保劃定“兩線”提供地形地貌測量資料

《中華人民共和國文物保護法》規定，文物保護單位要劃定保護范圍和建設控制地帶，即“兩線”。其中第九條文物保護單位的保護范圍，是指對文物保護單位本體及周圍一定范圍實施重點保護的區域。第十三條文物保護單位的建設控制地帶，是指在文物保護單位的保護范圍外，為保護文物保護單位的安全、環境、歷史風貌對建設項目加以限制的區域。

2、為維護、修繕和搶修文物工程項目提供詳細的測量尺寸資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》要求建立記錄檔案其中第二部分圖紙、照片、拓片、摹本等。圖紙包括地理位置圖、總平面圖；建筑群體和主要單體的平、立、斷面圖；歷次重要維修的實測、設計、竣工圖。掃描出來的數據模型不僅外形與實物一樣，其包含所有的幾何信息也與實物完全一致，為文物研究及文物保護提供準確的科學數據。三維點云數據可以導入到AutoCAD、Autodesk Revit等軟件中，進行后續的處理與加工，并且可以在Autodesk Revit中通過捕捉點直接繪制生成幾何體。

3、為文物宣傳提供視聽和影像資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》建立記錄檔案其中第三部分電影片、錄像、磁盤及其他信息載體等。三維激光影像掃描技術能在短時間內對所感興趣的區域建立詳盡準確的三維立體影像，經過后期加工制作，可以制作成立體宣傳視頻或者立體實景模型放在網頁上供人瀏覽。

三維激光影像掃描技術實施步驟，第一步配合服務公司進行現場的激光掃描工作，洛伽山海總面積為0.36平方公里，工作時間約5天，工作人員5人；第二步對掃描得到的數據進行處理，使之能夠導入BIM軟件；第三步根據現有圖紙建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光掃描優化BIM模型。后期制作約10天時間，整個過程約需要15天左右的時間。

經過測量洛伽山燈塔精確數據如下：本體建筑坐北朝南，占地面積約12平方米，總高8.835米。基座平面呈圓形，直徑為3.8米，高約0.54米。塔身為磚結構的圓臺形建筑，下底面直徑為3.1米，上底面直徑為2米，高為4.85米，外飾紅白相間帶狀橫紋，辟有一門二窗；內沿塔體置鑄鐵盤旋式樓梯通塔身頂部的平臺。平臺上置燈籠，外圍圓環形帶鐵欄桿的回廊。籠身分為上下兩部分，下部為鋼質籠壁，呈圓柱形，直徑為2米，高1.2米，飾白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最長對徑為1.8米，邊長0.72米，高1.1米。籠頂為鋼質，呈穹頂狀，頂正中心設避雷針。

結束語

相對于傳統的測繪，三維激光影像掃描不僅大量節約時間與人力，而且采集的點云數據可以直接生成三維點云模型，作為電子數據永久存檔，對進行后續環節的工作開展提供了準確詳實的數據支撐，能顯著提高后續工作的效率和質量。

洛伽山燈塔入選“國保”提升這座百年燈塔在全國知名度，三維激光影像掃描技術制作立體模型及視頻使它的歷史價值、文化遺產價值和社會價值更廣泛的得到宣傳、保護、和發展。（作者單位：寧波航標處）

摘 要：保燈塔建設年代久遠普遍缺乏地形地貌測量資料、建筑結構詳圖，給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。使用三維激光影像掃描技術，將洛伽山燈塔的三維數據完整的采集到電腦中，快速重構出燈塔及附屬建筑物的空間立體模型，從而快速繪制塔區平面圖和建筑物結構詳圖。

關鍵詞：三維激光影像 掃描技術 洛伽山燈塔

洛伽山燈塔位于浙江省舟山市普陀區境內的洛伽山島的北面，燈塔始建于清光緒十六年即1890年，1931年改建，2013年入選第七批全國重點文物保護單位。燈塔采用青石砌成，塔身為紅白橫帶圓塔，塔高為7米，燈高為40米，燈質為閃（3）紅、白9秒，紅光射程約7.5海里，白光射程約15海里。由于燈塔年代久遠缺乏圖紙資料，達不到全國重點文物保護單位相關要求。因地形地貌測量資料、建筑結構詳圖等缺乏給燈塔文物保護申請工作、日常維護保養、修繕工程帶來困難。

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，作為數字化三維信息采集手段可獲取任何復雜的現場環境及空間目標的三維立體信息，快速重構目標的三維模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標的數據，再現客觀事物真實的形態特性。本文介紹通過采用三維激光影像掃描技術直接將洛伽山燈塔、附屬建筑及所在島嶼的三維數據完整的采集到電腦中，進而快速重構出整個塔區的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

全國重點文物保護單位對燈塔資料的相關要求

我國目前對于文物保護有《文物保護工程管理辦法》、《中華人民共和國文物保護法實施條例》和《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》等法規，對于文物保護需要收集相關的基礎數據資料，報告文化保護區范圍內的地形圖資料、建筑測量資料、色彩資料、表面精確資料等等。《文物保護工程管理辦法》規定文物搶險加固工程、修繕工程、保護性設施建設工程的立項與勘察設計方案資料包括以下內容：擬立項目保護范圍與建設控制地帶的劃定；保護工程必要性與實施可能性的技術文件與形象資料（錄像或照片）。《中華人民共和國文物保護法實施條例》第十一條規定文物保護單位的記錄檔案，應當包括文物保護單位本體記錄等科學技術資料等內容。文物保護單位的記錄檔案，應當充分利用文字、音像制品、圖畫、拓片、摹本、電子文本等形式，有效表現其所載內容。

由于全國文物保護燈塔建設年代久遠，受當時的技術限制普遍沒有地形地貌資料和建筑尺寸圖紙，在申報項目時候往往缺乏保護范圍線與建設控制線，缺乏建筑物尺寸數據等技術資料，現在隨著科學技術的發展，燈塔建立詳細的數字資料數據庫十分必要。

傳統CAD測量繪圖的局限性

目前很多古代建筑缺少可用的CAD數據，即使建立低水平的細節CAD模型，也需要借助測量和其他方法，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常難測量。傳統的用于建模的方法是利用利用AutoCAD+3DS軟件建模，最后通過函數接口讀入程序中，從而能夠真實表達建筑物內部的細節特征。這些文件中已將模型剖分為空間三角網，我們只需將這組數據以一定的比例、角度在通過旋轉、平移、縮放在空間坐標系中定位，同時到實地拍攝建筑物的影像，運用圖像處理軟件制作出建筑物的表面紋理，貼附于模型之上，從而實現建筑物模型的重建。這些重建方法一是建模精確不高，無法得到有關表面屬性的拓撲信息和幾何信息，無法清晰表現紋理和材質。二是建模的工作量非常巨大。

三維激光影像掃描技術的介紹

三維激光影像掃描技術是國際上近期發展的一項高新技術，通過高速激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值。其工作原理是將紅外線激光束射到旋轉光學鏡的中心，該光學鏡將使激光在圍繞掃描環境垂直旋轉的方向上產生偏差；之后，將周圍對象的該點處的數據并對該點進行定位。散射光反射回掃描儀，其使用相位偏移技術測量距離，通過使用角度編碼器測量鏡像旋轉和水平旋轉，計算各點的 X、Y、Z 坐標。

三維激光影像掃描由于其每個點都有三維坐標，可提供可量測的畫面數據，其非接觸的數據獲取方式可以有效地減少傳統操作中不必要的破壞以及擬補傳統測量手段的測量死角，快速準確獲取建筑三維數據，極大程度上豐富了三維數據展示的效果。

三維激光影像掃描技術為燈塔提供的技術資料

1、為文保劃定“兩線”提供地形地貌測量資料

《中華人民共和國文物保護法》規定，文物保護單位要劃定保護范圍和建設控制地帶，即“兩線”。其中第九條文物保護單位的保護范圍，是指對文物保護單位本體及周圍一定范圍實施重點保護的區域。第十三條文物保護單位的建設控制地帶，是指在文物保護單位的保護范圍外，為保護文物保護單位的安全、環境、歷史風貌對建設項目加以限制的區域。

2、為維護、修繕和搶修文物工程項目提供詳細的測量尺寸資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》要求建立記錄檔案其中第二部分圖紙、照片、拓片、摹本等。圖紙包括地理位置圖、總平面圖；建筑群體和主要單體的平、立、斷面圖；歷次重要維修的實測、設計、竣工圖。掃描出來的數據模型不僅外形與實物一樣，其包含所有的幾何信息也與實物完全一致，為文物研究及文物保護提供準確的科學數據。三維點云數據可以導入到AutoCAD、Autodesk Revit等軟件中，進行后續的處理與加工，并且可以在Autodesk Revit中通過捕捉點直接繪制生成幾何體。

3、為文物宣傳提供視聽和影像資料

《全國重點文物保護單位保護范圍、標志說明、記錄檔案和保管機構工作規范》建立記錄檔案其中第三部分電影片、錄像、磁盤及其他信息載體等。三維激光影像掃描技術能在短時間內對所感興趣的區域建立詳盡準確的三維立體影像，經過后期加工制作，可以制作成立體宣傳視頻或者立體實景模型放在網頁上供人瀏覽。

三維激光影像掃描技術實施步驟，第一步配合服務公司進行現場的激光掃描工作，洛伽山海總面積為0.36平方公里，工作時間約5天，工作人員5人；第二步對掃描得到的數據進行處理，使之能夠導入BIM軟件；第三步根據現有圖紙建立BIM模型；第四步整合BIM模型和激光掃描優化BIM模型。后期制作約10天時間，整個過程約需要15天左右的時間。

經過測量洛伽山燈塔精確數據如下：本體建筑坐北朝南，占地面積約12平方米，總高8.835米。基座平面呈圓形，直徑為3.8米，高約0.54米。塔身為磚結構的圓臺形建筑，下底面直徑為3.1米，上底面直徑為2米，高為4.85米，外飾紅白相間帶狀橫紋，辟有一門二窗；內沿塔體置鑄鐵盤旋式樓梯通塔身頂部的平臺。平臺上置燈籠，外圍圓環形帶鐵欄桿的回廊。籠身分為上下兩部分，下部為鋼質籠壁，呈圓柱形，直徑為2米，高1.2米，飾白漆；上部置玻璃窗，呈正八棱柱形，最長對徑為1.8米，邊長0.72米，高1.1米。籠頂為鋼質，呈穹頂狀，頂正中心設避雷針。

結束語

相對于傳統的測繪，三維激光影像掃描不僅大量節約時間與人力，而且采集的點云數據可以直接生成三維點云模型，作為電子數據永久存檔，對進行后續環節的工作開展提供了準確詳實的數據支撐，能顯著提高后續工作的效率和質量。

洛伽山燈塔入選“國保”提升這座百年燈塔在全國知名度，三維激光影像掃描技術制作立體模型及視頻使它的歷史價值、文化遺產價值和社會價值更廣泛的得到宣傳、保護、和發展。（作者單位：寧波航標處）