基于三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑數(shù)字化保護(hù)技術(shù)

李雪

摘 要：近年來(lái)，三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)修繕?lè)矫娴膽?yīng)用日漸廣泛。但是目前三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)大多用來(lái)進(jìn)行三維建模或者進(jìn)行二維線性圖紙的輸出，大量財(cái)力物力得來(lái)的數(shù)據(jù)沒(méi)有充分發(fā)揮作用，因此，文章將對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；古建筑；數(shù)字化保護(hù)

隨著我國(guó)對(duì)建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作的重視程度逐步增加，對(duì)古建筑保護(hù)修繕技術(shù)的要求也隨之提升。古建筑信息采集作為古建筑保護(hù)的基礎(chǔ)性工作具有深遠(yuǎn)的意義。近年來(lái)，古建筑保護(hù)正向著以數(shù)字化安全監(jiān)測(cè)為代表的研究性、預(yù)防性保護(hù)方向發(fā)展，這就給古建筑信息的采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸以及可視化等多方面提出了更高的要求。

三維激光掃描技術(shù)能夠直接快速地獲取實(shí)體表面信息。與傳統(tǒng)信息獲取技術(shù)相比，它具有非接觸式工作、受外界因素干擾小、掃描速度快、精確度高、兼容性高等各種優(yōu)點(diǎn)。將三維激光掃描技術(shù)引入古建筑的數(shù)字化保護(hù)中，能夠?yàn)楣沤ㄖ谋Ｗo(hù)修繕工作提供高精度、完整的空間數(shù)據(jù)信息。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是三維激光掃描后得到的數(shù)據(jù)成果，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是包含點(diǎn)的三維坐標(biāo)及顏色屬性的點(diǎn)集合，可以進(jìn)行距離、角度、體積、面積等各種測(cè)量工作。但是在三維激光掃描技術(shù)引入古建筑保護(hù)領(lǐng)域后，如何使用及表達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在業(yè)內(nèi)缺乏思考及探索，沒(méi)有發(fā)揮點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真正價(jià)值。因此，本文將對(duì)三維掃描數(shù)據(jù)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)行研究。

一、基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模及圖紙輸出

在三維激光掃描工作結(jié)束后，首先要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為后續(xù)的應(yīng)用打好工作基礎(chǔ)，包括點(diǎn)云坐標(biāo)確立、去噪和濾波、數(shù)據(jù)拼接及點(diǎn)云封裝等工作。

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模主要有多邊形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及復(fù)合建模四種方式。除此之外，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM相結(jié)合，建立參數(shù)化模型，還可以滿足數(shù)字化保護(hù)的存檔、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、圖紙輸出、多部門(mén)配合等需求。

現(xiàn)狀正射點(diǎn)云圖直接來(lái)源于掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包含了建筑完整的幾何信息，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及周邊的環(huán)境信息，無(wú)需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，非常適合古建筑現(xiàn)狀的圖紙記錄。通過(guò)導(dǎo)入工程制圖軟件平臺(tái)，還可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注及測(cè)量。

此外，在建筑圖紙表達(dá)上，可以將點(diǎn)云正攝圖紙與傳統(tǒng)的CAD圖紙表達(dá)相結(jié)合。建筑的主體部分用傳統(tǒng)的制圖方式，在點(diǎn)云正攝圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行繪制，而紋路比較復(fù)雜、裝飾比較繁多的地方運(yùn)用點(diǎn)云正攝圖紙進(jìn)行表達(dá)。最后將兩部分表達(dá)方式合成同一張圖紙，既符合了傳統(tǒng)建筑制圖的要求，又準(zhǔn)確直觀地表達(dá)了建筑細(xì)部。

二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面的應(yīng)用

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的立體展示應(yīng)用

在以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)所建立的三維空間模型中，可以采用多視角、動(dòng)態(tài)交互的瀏覽方式，任意選擇觀察的位置以及視線的方向，隨時(shí)進(jìn)行剖切瀏覽，擺脫了以往利用二維圖紙進(jìn)行解讀信息的局限性，對(duì)建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征也能很準(zhǔn)確地解讀。在高精度掃描的數(shù)據(jù)中，對(duì)建筑細(xì)部、建筑色彩信息也能更直觀地進(jìn)行記錄瀏覽。

除此之外，還可以開(kāi)發(fā)相關(guān)的互動(dòng)程序，方便用戶對(duì)模型進(jìn)行更直觀的瀏覽。例如，在立體模型上直觀展示建筑的病害殘損信息，用戶點(diǎn)擊相應(yīng)病害區(qū)域即可顯示建筑的病害類型、面積、程度等相關(guān)信息。加入人機(jī)互動(dòng)程序，利用手勢(shì)等旋轉(zhuǎn)、放大建筑模型，將分解的建筑構(gòu)件移動(dòng)、拼裝起來(lái)。此外，還可以將VR等技術(shù)引入古建筑數(shù)字化保護(hù)中，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行立體展示。

（二）點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)古建筑安全的監(jiān)測(cè)

1.古建筑安全的信息監(jiān)測(cè)

三維掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以用來(lái)分析建筑本體形變、建筑墻面及地面的整體平整度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑病害等。以預(yù)設(shè)的掃描測(cè)繪密度自動(dòng)獲取數(shù)以億計(jì)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，然后通過(guò)視覺(jué)化表現(xiàn)手段直觀顯示出這些數(shù)值的變化關(guān)系，有效監(jiān)測(cè)其變形范圍及量級(jí)，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠直觀地展示建筑物的病害殘損信息，發(fā)現(xiàn)古建筑諸如梁、檁、枋等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的下斜、扭曲、變形的細(xì)微變化。還可以通過(guò)建立軸向垂直平面及三維點(diǎn)云的擬合參考平面，對(duì)古建筑的墻體、地面進(jìn)行分析。通過(guò)彩虹圖高程偏差分析，得出殘損病害的具體數(shù)值。此外，利用不同時(shí)期三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以對(duì)病害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體的變形特征需要提取不同時(shí)期三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)變形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)病害的變化趨勢(shì)，這對(duì)發(fā)現(xiàn)安全問(wèn)題并及時(shí)采取保護(hù)防范措施具有重要意義。

2.古建筑環(huán)境安全管控

古建筑數(shù)字化保護(hù)不僅是指建筑本體的保護(hù)修繕，也包含對(duì)建筑環(huán)境的安全管控。古建筑環(huán)境管控范圍通常包含平面建設(shè)范圍及建設(shè)高度控制兩大方面。周邊相關(guān)建筑的建設(shè)不能超過(guò)相應(yīng)的紅線范圍，而這種紅線是虛擬的，在現(xiàn)實(shí)世界中不是真實(shí)存在的，這就給執(zhí)法人員對(duì)違章建筑的鑒定帶來(lái)了相當(dāng)大的困難。

三維激光掃描技術(shù)能夠得到完整的帶有周圍環(huán)境信息的數(shù)據(jù)模型，在此模型基礎(chǔ)上，根據(jù)古建筑保護(hù)的相關(guān)規(guī)定，建立立體的紅線范圍，在模型上直觀顯示。執(zhí)法人員在現(xiàn)場(chǎng)用手機(jī)等便攜式移動(dòng)拍照設(shè)備，對(duì)疑似違規(guī)的建筑進(jìn)行拍照取證，按照攝影建模的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所得的圖片發(fā)送到后臺(tái)工作人員的電腦上，后臺(tái)工作人員通過(guò)快速的攝影建模，將疑似違規(guī)的建筑準(zhǔn)確地放入到帶有立體紅線的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型中，通過(guò)建筑是否觸碰到立體紅線，即可直觀地判斷出該建筑是否違章，確保古建筑環(huán)境的安全。

（三）點(diǎn)云數(shù)據(jù)輔助古建筑修繕復(fù)原

1.點(diǎn)云數(shù)據(jù)指導(dǎo)古建筑保護(hù)修繕尺度

一座流傳保存至今的古建筑，通常在歷史上已經(jīng)經(jīng)歷了幾次修復(fù)，不同年代的修復(fù)工匠都在該建筑的修繕中摻入了時(shí)代與個(gè)人因素，形成了尺度形變。并且現(xiàn)存的古建筑大多存在歪閃、殘損等病害，人工測(cè)量又帶有主觀誤差性，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)失去了原有建筑設(shè)計(jì)尺度的原真性，如果按照殘損的數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)只能加劇建筑的形變。

要想還原建筑的原真性，我們就要打破傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法的局限，始終把建筑的總體結(jié)構(gòu)視作有機(jī)的整體，從整體上把建筑的尺度關(guān)系。傳統(tǒng)測(cè)繪數(shù)據(jù)繁雜細(xì)碎，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠直觀把握建筑的整體尺度，修正建筑因殘損、糟朽造成的誤差。利用三維激光掃描整個(gè)建筑所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比整個(gè)梁架體系的尺寸關(guān)系，參照《營(yíng)造則例》等書(shū)籍進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，找出準(zhǔn)確的斗口尺寸，進(jìn)而整體把控建筑的尺度關(guān)系，找到古建筑理論上的營(yíng)造尺度，對(duì)后續(xù)的修復(fù)工作進(jìn)行修正指導(dǎo)。

2.基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑虛擬修復(fù)

在古建筑修繕領(lǐng)域，數(shù)字虛擬技術(shù)的應(yīng)用日益普及，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字建模為古建筑的勘察保護(hù)、虛擬修復(fù)和再現(xiàn)展示提供了完善的數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行古建筑及周邊環(huán)境的場(chǎng)景塑造，建立古建筑虛擬修復(fù)系統(tǒng)，對(duì)殘損和病害的部分進(jìn)行虛擬修復(fù)，為古建筑保護(hù)修繕?lè)桨傅闹贫ㄌ峁?shù)據(jù)支持。還可以建立古建筑彩繪、壁畫(huà)的色彩和圖像的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)， 通過(guò)古建筑彩繪和壁畫(huà)修復(fù)軟件以及古建筑彩繪和壁畫(huà)配色軟件的使用，對(duì)古建筑彩繪和壁畫(huà)高效虛擬修復(fù)。

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的虛擬修復(fù)，可以對(duì)修復(fù)方案進(jìn)行反復(fù)推敲，避免了因盲目修復(fù)對(duì)古建筑造成的不可逆轉(zhuǎn)的傷害，同時(shí)也有利于對(duì)修復(fù)成果進(jìn)行直觀的展示對(duì)比。

三、結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)給古建筑測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展，本文粗略地探索了三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)在古建筑數(shù)字化保護(hù)方面的應(yīng)用，具體的實(shí)施過(guò)程還需要多學(xué)科之間的交流，希望古建筑保護(hù)工作者拓寬知識(shí)領(lǐng)域，積極地進(jìn)行探索與實(shí)踐，充分發(fā)揮三維激光掃描數(shù)據(jù)的價(jià)值。

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作者單位：

北京工業(yè)大學(xué)；北京市歷史建筑保護(hù)工程技術(shù)研究中心