點云-數字化測繪方法在宮廟建筑測繪中應用

黃 巍 繆 遠

(福建工程學院 建筑與城鄉規劃學院 福建福州 350108)

0 引言

古建筑測繪是通過測量和繪圖獲得古建筑信息的測繪活動，它包含勘察、現場測量、資料整理和繪制測繪圖等幾個步驟。古建筑測繪是古建筑保護和研究的基礎工作，是獲得古建筑信息重要渠道。

點云-數字化測繪方法是指運用激光三維掃描獲取建筑的數字信息，再通過信息整合、數字化建模等工作，將測繪成果以建筑數字化模型和測繪圖紙方式呈現，其優勢是節約測繪時間和人力。

近年來，國內外開始嘗試應用點云-數字化測繪方法對古建筑進行測繪，展現其顯著優勢。本文選取福州地區具有代表性的宮廟古建筑群進行測繪，通過比較傳統古建筑測繪方法與點云-數字化測繪方法(下文簡稱點云測繪)在古建筑測繪實踐中的差異，探索新方法對傳統測繪的發展和補充。

1 研究對象

福州地區保存較多傳統宮廟建筑。這些宮廟建筑一般由山門、戲臺、拜亭、看樓、主殿幾個建筑單體構成。以4個條件選擇研究對象。

(1)能代表福州地區傳統宮廟建筑特色。

(2)現仍得到良好保護，沒有嚴重的損毀或者重建，有利于測繪成果的完整性。

(3)所有建筑單體位于一個院落，有利于保證三維掃描數據的完整性。

(4)建筑功能、規模、布局及其建筑方式應相似，便于比較研究。

綜上，本文選取兩座道教宮廟：福臚寺泰山堂與荊山境宮廟為案例。

1.1 荊山境宮廟

荊山境宮廟(后文簡稱荊山境)位于閩侯縣荊溪鎮，始建于南宋，現存建筑建于清同治年間，主祀龍嶺王，左右配祀福善王、蘇學士、臨水夫人等當地保護神，是閩侯縣文物保護單位，如圖1(a)所示。

荊山境為一進合院式建筑，建筑總長21.9m，總寬20.1m，建筑占地面積440m2。主要單體建筑沿中軸線展開，依次分別為戲臺、拜亭、正堂，中軸線兩側相對分布有看樓和鐘鼓樓各1座。

1.2 福臚寺泰山堂

福臚寺(又名泰山堂)，明永樂年間(1403年)始建護佑航行的媽祖廟，后于清康熙六年(1667年)，在媽祖廟原址上建成福臚寺，后殿(地藏殿)圮于20世紀50年代，1990年重建。現為福建省文保單位，如圖1(b)所示。

福臚寺為兩進合院式建筑，建筑總長38.1m，總寬22.5m，建筑占地面積857m2。主要單體建筑沿中軸線展開，依次分別為戲臺、拜亭、正堂，后殿，中軸線兩側相對分布有看樓和鐘鼓樓各1座。本次測繪的區域為第一進院落，占地面積670m2。

圖1(a) 荊山境 圖1(b) 福臚寺

2 研究內容

本文運用比較與分析兩種測繪方法，研究古建筑測繪中差異，即：兩組測繪人員分別對同一類型和規模的兩座宮廟建筑進行測繪：其中一組人員運用傳統古建筑測繪方法測繪泰山堂。另一組人員則采用點云-數字化測繪方法測繪荊山境，以研究兩種測繪方式的差異。

古建筑測繪根據測繪工作是否在現場進行可分為“外業”與“內業”兩個階段。

點云測繪的外業階段指通過三維激光掃描獲得點云數據的過程，內業階段包括點云數據整理以及測繪成果展現過程。

三維激光掃描的核心原理是激光測距，即通過測量兩點間激光傳輸所需時間求得間距。對掃描對象表面進行密集多點測距，即可獲得掃描對象的完整三維空間信息[1]。如果在三維視角里觀察掃描信息，則可直觀地看到采集到的每一個點的空間位置，這些密集的空間“點”組成了被測物體的空間形態。這些“點”本身就被形象地稱之為“點云”。處理過的點云即可實現空間形態的觀察、空間距離的量取和三維模型的擬合等操作[2]。

2.1 點云數據采集

點云數據采集即運用三維激光掃描儀獲取測繪對象的點云數據的過程，是測繪外業的主要工作。本次測繪應用美國法如公司生產的FARO Focus3D X130激光掃描儀，分辨率在150m范圍內為2mm，其技術性能適用于大部分古建筑以及古建筑群組的掃描測量。

采集過程分3個階段：站點選擇、布站掃描、檢查補站。

站點選擇：測繪人員在測繪對象中走一圈，確定需要設站掃描位置，并清理遮擋激光掃描的物品。

布站掃描：在預設站點安置并調試掃描儀，在掃描儀可視范圍內布置多個標靶球，用于各站點之間的點云數據拼接，開機掃描,如圖2(a)，圖2(b)所示。

檢查補站：通過掃描儀監視器檢查掃描數據是否有數據缺失。如有缺失，需立即選點補測。

(a) 安置并調試好掃描儀 (b) 布置多個標靶球圖2 布站掃描

2.2 點云數據建模

三維掃描所得測繪數據不僅數量龐大，而且每一掃描站點獲得的測繪數據只是測繪對象的一部分。因此，點云數據需經過數據拼合、冗余點云簡化和清理等階段,最終才能獲得用于建模的有效數據。

點云數據拼合：將各站點掃描的點云數據導入FARO SCENE軟件，注冊標靶球，進行全局配準并拼接數據。

冗余點云清理：將拼合完整的點云數據導入點云處理軟件Geomagic Foundation，清理冗余數據和噪點，獲得完整點云數據模型，成果見圖3(a)所示。

2.3 數字化建模

本文運用Undet for skechup軟件對點云模型進行數字化建模。首先，將點云數據進行格式轉化，再導入Undet for skechup。之后，將點云模型空間形態繪制成建筑空間模型，見圖3(b)。以skechup為基礎導出平面圖紙，并深化建筑平面、立面、剖面等，如圖4～圖5所示。

圖3(a) 荊山境點云數據模型 圖3(b) 荊山境skechup模型

圖4 荊山境平面圖

3 兩種測繪方法比較

3.1 測繪流程比較

(1)傳統測繪流程

①現場踏勘；

圖5 泰山堂平面圖

②測繪人員分組對古建筑單體空間進行測量和拍照；

③現場記錄測繪數據并繪制草圖；

④根據測繪草圖和測繪數據繪制測繪圖；

⑤依據測繪圖進行計算機建模。

在分組測量和繪制測繪圖過程中，每位組員分工完成測量、拍照、記錄、繪制草圖、匯總及繪圖等工作，具體如表1所示。

(2)點云測繪流程

①三維激光掃描儀布站測量；

②拼合并整理點云模型；

③依據點云模型繪制數字化模型；

④數字化模型導出測繪圖紙。

此見，點云測繪只需要較少的測繪人員，且每位測繪人員可獨立完成所有測繪工作，如圖6所示。

圖6 測繪流程比較

3.2 測繪模式比較

建筑測繪是把建筑空間轉換成數據，進而記錄在圖紙的過程。研究測繪流程，筆者發現兩種測繪方法在測繪模式上有著顯著的差異。

在傳統古建筑測繪模式中，測繪人員通過測量古建筑的實體空間獲取測量數據，并以測量數據為依據繪制圖紙，最后將平面圖紙轉化為空間模型。整個測繪過程經歷空間-數據-平面-空間的思維轉換。

點云測繪以建構數字化空間為目的。 測繪過程中，三維掃描儀獲得古建筑空間的點云數據，經過整理成為點云模型(見圖3(a))。測繪人員依據點云模型進行電腦建模(見圖3(b))，也可將電腦模型導出為測繪圖紙。測繪圖紙可視為數字模型的映射，測繪模式比較如圖7所示。

圖7 測繪模式比較

比較而言，傳統測繪方法測繪的每個階段相對獨立，對測量設備配置要求不高，更易于操作。點云-數字化模型測繪方法在測繪的每個階段都可以直觀地看到測繪對象的空間模型，但對測繪人員的綜合能力要求比較高，如圖8所示。

圖8(a) 同一位置和視角下的古建筑照片 圖8(b) 點云模型 圖8(c) Skechup模型

3.3 制約因素比較

(1)天氣因素

在傳統測量過程中，嚴寒酷熱的天氣會降低測量工作效率，甚至引起測繪人員中暑或風寒。如遇到暴雨和臺風天氣則無法進行測繪。相較而言，激光掃描儀只在臺風天氣無法使用。

(2)測繪設備

傳統測量是分組展開，每個測繪組都需要有整套測繪設備，測繪設備數量和質量嚴重制約測量效率；點云測繪只需1臺激光掃描儀可以快速完成所有測繪數據的采集。

(3)測量安全

在測量過程中，需要進行高空或者臨空測繪，因此測繪安全事故偶有發生；而激光掃描儀無需進行臨空作業。

(4)古建筑保護

許多古建筑由于年久失修，建筑構件易損，不宜進行接觸測量；而激光掃描儀可以在不接觸測繪對象的情況下獲得測量信息。

綜之，點云測繪受各種制約因素影響比較小，能較快完成測繪。

4 結論

(1)外業階段，傳統古建筑測繪一般是兩人測量、一人記錄的工作方式，如建筑群組比較復雜則需要更多的測繪人員。點云測繪只需要一人即可完成外業工作。

(2)傳統測繪方法測繪成果，以平面圖紙形式展現。點云測繪獲取測繪對象的三維數據，展現出多樣化的成果。依據點云數據可繪制三維建筑模型、細部模型、測繪平面圖、裝飾大樣等。

(3)相較傳統古建筑測繪方法，點云-數字化模型不僅要求測繪人員要有古建筑理論知識和測量實操能力，還需掌握數字化建模知識和一定的編程能力。因此，對測繪人員的專業素養要求更加綜合。

(4)傳統測繪的成果為平面圖紙，難于被大眾閱讀和理解。點云測繪成果為三維立體模型，可以運用于數字化博物館和線上博物館，為大眾所關注。

(5)傳統測繪方法受到天氣、安全、文物保護等制約較多，點云測繪則較少受上述因素制約。

綜上，點云測繪能夠快速地獲取數字化信息，但在實際古建筑測繪過程中還不能完全替代傳統古建測繪方法，只能作為其創新性的發展與補充。

參考文獻

[1] 臧春雨．三維激光掃描技術在文保研究中的應用[J]．建筑學報，2006(12)：54-56.

[2] 孫闖.華林寺大殿大木設計方法探析[D].北京：清華大學，2011.