基于三維激光掃描技術的古建筑測繪研究
——以斗栱模型實驗為例

許 睿，李 鑫

（北方工業大學，北京 100144）

古代木建筑是我國建筑發展歷程的重要見證，同時具有歷史、藝術和科學等多方面的研究價值，是新建筑設計與新藝術創作的借鑒實證。隨著信息時代新技術的發展，古建筑測繪出現了新的可能性，三維激光掃描技術成為古建筑測繪的全新方式，它拋棄了原有以二維平面圖紙為切入點的方式，將所有信息直接記錄到空間之中形成三維模型，再提取出二維的平面信息制成圖紙。

已有部分有關古建筑木構件現代保護方式的研究在進行之中。王茹[1-2]側重于BIM技術在文物古建筑修繕工作中的應用，在基于BIM技術的文物建筑模型的參數化研究方面取得了一定的成果；李舒靜[3]針對GIS技術開展重點研究，從服務文物保護工作層面出發，肯定了BIM技術可以彌補GIS技術在建筑單體、建筑構件層次的不足，提出了“類型樹+結構樹”的新型信息采集方法；劉茂華[4]基于點云數據，利用Revit軟件，通過IFC標準連接，將BIM數據與三維GIS數據融合，實現了室內、外三維一體化模型的構建，主要側重于現代建筑室內、外環境的融合；石力文[5-6]研究了不同測繪技術在尺寸信息留取方面的利弊，并基于點云數據建立BIM模型來表達古建筑全生命周期信息；還有大量學者[7-10]在此方向上進行研究并得出一定成果。

本文對古建筑木構件的三維激光掃描全過程進行研究，產生裝配式木構件信息和整體三維斗栱模型，最終通過信息積累完成木構件數據庫的搭建，對于后續工作具有指導意義。對古建筑進行激光測繪和三維重構，在古建筑保護方面有很大的利用空間；對細部及裝飾受損的斗栱構件進行原樣記錄，并生成還原度較高的模型，繼而分析因結構內部受力導致的自我破損可能性，預防其坍塌或損毀；對典型斗栱構件的尺寸、木種、搭接方式等進行記錄，作為與建筑或構件相匹配的留存檔案。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗方法

實驗選取斗栱模型作為研究對象，利用三維激光掃描儀進行對象的掃描實驗，獲取高精度的三維激光掃描模型和詳盡的點云數據，之后通過軟件平臺處理優化掃描結果，生成最終的數字化三維模型文件并存檔保留（圖1）。

1.2 實驗材料

斗栱是中國古建筑特有的一種木構件（圖2）。對古建筑木構件來說，斗栱整體內部構件有各個分類，拼裝結構復雜，受力等各方面均體現了古代的科學理論，具有保護研究價值。模型構件參照營造法式的記載，用宋式“五輔作單抄單昂柱頭輔作偷心造”斗栱為例，整理出一整套宋式斗栱的尺寸樣式模板，再通過激光切割機和人工打磨等多重工序，用原始木料制作出各個構件。制作出等比例斗栱構件，共23個單體，包括櫨斗、散斗、交互斗、泥道拱、泥道慢栱、華栱、內檐令拱、外檐令拱、內檐耍頭、外檐耍頭、柱頭枋、內檐羅漢枋、襯頭枋、下昂。根據自下而上的掃描順序進行編號處理，1～23的數字編號方式利于同種構件的區分和后續的查閱。

1.3 實驗設備

實驗外接設備：HandySCAN-700便攜式3D掃描儀。設備工作原理：掃描儀不斷對目標發射激光，投射到對象上的激光隨對象形狀發生變形，在掃描時，攝像頭拍攝該形狀并開始計算，自動生成表面，最終形成完整的掃描模型。HandySCAN-7003D掃描儀詳細參數。掃描原件：CDD。掃描范圍：0.1～4 m。掃描介質：立體物品。掃描速度：480 000次測量/秒。掃描光源：7束交叉激光線。激光類型：2級（對人眼安全）。儀器尺寸：122 mm×77 mm×294 mm。儀器質量：0.85 kg。儀器接口：USB3.0。儀器精度：最高0.03 mm。工作溫度：5～40℃。工作濕度：10%～90%。拼接模式：手動/全自動拼接。

實驗設備銜接軟件：VXelements軟件平臺。軟件與掃描儀器相連接進行實時的表面生成運算，可在軟件平臺及時觀測掃描成果。此外還應觀察細節性的不足與漏洞，以便及時進行修補。最終通過平臺保存成果性的STL點云文件，為后續分析工作提供數據信息基礎。

1.4 實驗過程

實驗室利用三維激光掃描技術構建出斗栱木構件的三維點云模型。三維激光掃描儀可以深入到復雜的現場環境中進行細致掃描操作，將各種實體的三維數據直接完整采集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型并獲取各種制圖數據。

1.4.1 實驗對象處理

在掃描實驗過程中，木構件定位由三角實時測量確定，因此掃描儀無須任何外部定位系統。由于三角測量本身具有定位功能，在掃描前必須對每個木構件進行預先處理，在木構件的表面做反射標記，利用參照物與木構件上的固定點位反射標記，三角測量功能可在體積和空間上提供掃描儀和木構件的相對位置（圖3）。根據原理和實際情況，本次實驗選取黑色輪廓標點作為空間定位標記，將標記的點片粘貼到各個構件的不同面。

定位點在粘貼過程中需要注意的事項：①標點可使系統在空間自定位且必須應用于平坦表面，例如平面或者大面積的曲面；②標點與邊之間的距離最好為12 mm以上。面積過小時可在環境中粘貼輔助標志點；③標志點之間的距離為2～10 mm，任意3點都不是正三角形關系；④掃描物體在移動時，應保證有4個相對固定的公共點位可提供空間相對位置。

1.4.2 掃描獲取數據

(1)掃描儀校準（圖4）。VXelements軟件平臺包含用于優化掃描儀校準的應用程序，將掃描儀連接上后通過對校準板的掃描，可利用該應用程序優化校準，完成初步調試。

(2)掃描儀配置（圖5）。由于每個被掃描物體表面反射屬性不同，需要調節參數，以獲得激光線的最佳探測。根據待掃描對象的掃描表面類型來配置激光功率和攝像頭快門時間。

(3)激光掃描。HandySCAN-7000掃描儀在調試完畢后，被用于進行三維激光掃描工作（圖6、圖7）。掃描將激光投射到構件表面并緩慢穩定的移動儀器。通過激光在掃描對象表面的攝像頭探測，不斷形成表面模型，再通過之前黏附在木構件表面的標靶點形成空間上的定位；穩定移動掃描儀，表面模型獲取范圍不斷增加，最終形成一個與掃描木構件等比例的三維空間點云模型。

第一，合理規劃兩種放置情況。要對物體進行全方位的掃描，應在頂部與四周掃描完成后，改變物體放置方式，翻轉后補充掃描底面，兩個擺放位置的掃描路徑恰好是兩個互補的半球面，從而確保物體表面都被掃描覆蓋。

第二，將一整圈合理劃分為4個連續區域，角度0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°。依次對這4個區域進行掃描，在完成第4個270°～360°角度區域后再與第一個0°～90°角度區域進行銜接，以保證掃描的延續性。在此過程中不斷提升高度，從圓形環帶逐步形成半球面的掃描范圍（圖8）。

第三，翻轉掃描對象，將第二步重復進行一次，完成表面缺失部分的掃描。

第四，查看掃描結果并補充，通過VXelements軟件平臺查看掃描實時結果的完成度，如有掃描遺漏或不完善部分，可以及時進行補充完善。

(4)編輯輸出。在VXelements軟件平臺內在編輯掃描的操作中框選刪除明顯雜質，完成初步編輯來減輕后續工作。最后將模型的空間網格導出，存儲為STL格式文件，留存有三維的空間表面模型和各類數據信息。

1.5 文件保存

將所有的掃描內容經過VXelements軟件平臺的初步處理，最后留存有23個小型木構架的掃描模型和一個整體斗栱的掃描模型，一共24個STL格式的文件，這些文件作為重要的過程資料應該得到保留，以防備在后繼出現問題時可以在步驟中發現并進行彌補。

2 結果處理與分析

2.1 結果處理

前期的掃描已經生成初步的STL格式三維掃描模型，共有1個整體模型和23個木構件模型，這些文件只是經過基本的處理，還需要更加系統的整理優化。后續利用到Geomagic Wrap3D建模數據處理軟件，將掃描結果進行細致的優化和處理。

2.1.1 處理流程

由于對保留結果的高精度要求，經過軟件處理后的點云模型的會更加細致。具體的操作流程分為點階段、點云注冊、多邊形階段、導出文件4個階段，并在各個階段下進行多個細節性操作。

2.1.1.1 點階段

以斗栱整體的掃描結果為例進行此階段的敘述。①著色點：為了更加清晰、方便地觀察點云形狀，將斗拱表面點云進行著色，還原木質形象。②統一采樣：在保留物體原來面貌的同時減少點云數量，便于刪除重疊點云、稀釋點云。③減少噪點：該命令有助于減少在掃描中的噪音點到最小，更好地表現真實的斗栱形狀。④體外孤點：該命令表示選擇任何超出指定移動限制的點，去除孤立的點云從而保留斗栱本身。⑤非連接項：該命令表示選擇偏離主點云的數據。⑥聯合點對象：該命令可將多個點云模型聯合為一個點云，便于后續的采樣、封裝等。⑦封裝：該命令將點轉換成三角面（圖9）。

2.1.1.2 點云注冊

①手動注冊：將23個木構件同時導入，尋找共有位置點，通過點將兩片點云進行簡單的手動對齊拼接。②全局注冊：對點云進行重定義對齊，通過軟件利用點位自動對齊。③合并：將多個點云數據直接封裝為一個多邊形單體模型（圖10）。

2.1.1.3 多邊形階段

以1號構件櫨斗為例進行此階段的敘述。①填充孔：填充未封閉的孔洞，掃描完成后櫨斗邊角位置有很多的孔洞，進行填充及修補；②松弛/砂紙：松弛針對整個模型將表面的小三角面處理平整，而砂紙用于局部的材質凹凸優化使其更加接近真實效果；③去除特征：刪除選擇的多余三角形，或者去除特殊部分，盡量只保留櫨斗本體；④網格醫生：自動修復多邊形網格內的所有問題，例如大量三角面形成的釘狀物或自相交面；⑤編輯邊界：修改多邊形模型的邊界；⑥簡化：減少三角面的數量但不影響曲面的形狀或顏色，可以大大減小文件的無效數據量（圖11）。

2.1.1.4 導出文件

通過以上步驟完成對掃描數據的處理，在管理器面板中右鍵點擊模型，選擇“保存”，彈出保存對話框，輸入文件名，保存類型選擇STL或其他格式，點擊保存按鈕即可完成模型導出（圖12）。

2.1.2 處理結果

初步的掃描結果通過Geomagic Wrap軟件平臺得到細致的加工，得出完善的STL格式封裝文件，作為基礎的數據信息化文件保存下來。整體模型經過處理，各種漏洞得到填補，不同因素造成的孤點得到清理，附著雜點得到刪除，最終留存下一個完整的斗栱實物掃描STL成果文件（圖13）。分解掃描的木構件相較于整體模型得到同樣處理的同時，還進行了各個木構件在軟件平臺內的拼接搭建，按照實體的搭建方式將數據模型融合在一起，形成一個更加細致合理的虛擬斗栱整體模型。兩種整體各有優勢，整體掃描可以完整記錄實體的情況，從而方便文物研究；虛擬的搭建模型則可以為后續的研究提供搭接的最優解，實現保護修繕的最優化處理。

2.2 結果分析

實驗整體過程結束，留存大量的STL格式的三維激光掃描文件，對于斗栱形成了系統且詳盡的數據信息化記錄，是一次較為完整的古建筑木構件三維掃描實驗。結果及過程中對之前了解的三維掃描進行了很好的實例驗證，也通過具體操作反思了過程中的不足和欠缺，為進一步推進指明了方向。

2.2.1 優勢論證

(1)非接觸式測量的巨大優勢。本次實驗選取宋式斗栱木構件，肢體觸碰過程的汗漬侵蝕以及標尺的不斷晃動，必然會對材質的表面造成磨損，對數據產生影響。三維激光掃描只需要遠距離的測繪即可，不會對掃描木構件產生破壞。對于一些場地無法靠近或者結構復雜角度刁鉆的高難度古建保護項目來說，這一新型技術手段克服了其中的困難。

(2)完整記錄三維信息。全站儀結合近景攝影測量的方式能夠實現文物的數字化，但無法精確全面地將文物信息記錄下來，三維激光掃描技術彌補了這一缺點，記錄的信息在精度和密度上都有所提升，而且形成具象的斗栱三維表面模型，為后續的破損改善工作提供數據支持。

(3)精確定位并記錄構件的材料紋理與表面破損（圖14、圖15）。手動人工測量結合正向數據建模，這種方式只能做出體積等大體上的信息記錄。通過三維激光掃描，能夠將木構件的表面風化程度等細節性信息都完整記錄下來，能夠掃描原始木料本身的破損位置和程度。上述問題能夠在三維表面模型中空間定位并展示，是古建筑保護的重要細節性信息。

2.2.2 實驗過程反思

(1)掃描過程的規范化操作。由于是手持掃描儀，掃描對象是體量較小的木構件，掃描過程中對于手的穩定程度有著極高的要求，同時激光攝入角度和掃描儀工作距離等各類因素都會影響激光的投放射入與數據的回收采集，微小誤差就會造成大量體外雜點和表面漏洞，甚至導致點云數據的紊亂和工作量的增加，仍需不斷地總結掃描過程中的操作經驗，找到合理的掃描方式。

(2)點云數據模型與常用幾何模型的完全對接。點云數據整理后形成三維掃描模型的STL文件，留存有空間具象的木構架信息，但是現階段工程項目中還是以平立剖等傳統圖紙為主要使用工具。所以點云數據模型文件和幾何模型文件的對接十分關鍵，將二者之間的橋梁打通，能夠方便地將STL與DWG、SKP等類型文件在同一平臺內完成自由切換，減去不同處理軟件切換的復雜過程，才能讓三維激光掃描真正的應用到實際項目中去。

3 結束語

(1)隨著新興技術的融入，古建筑保護方式開始轉變。木構件信息化是古建筑保護發展的必經之路，三維激光掃描技術所提供的數據化信息模型正是改變古建筑保護方式的開端。通過對三維激光點云數據收集技術進行研究，以期將其銜接到古建筑木構件的信息化處理過程中去，并對古建筑保護工作起到一定的指導作用。

(2)三維激光掃描如今仍處于初始階段，掃描過程中的高效率和高精度是關鍵。在進行掃描時，可利用深色背景吸收激光射線，從而隱藏掉木構件之外的雜質。掃描過程最后需要對棱角處進行補充掃描，以保證掃描結果的完整性，需要類似經驗性問題進行不斷總結，以便使掃描結果更加高效精準。

(3)通過三維激光掃描測繪得出信息化結果文件，這些文件留存的數據信息極其重要。隨著科學技術的發展，應該對這些數據進行保留的同時繼續進行研究，使其在古建筑保護工作的各個過程中充分發揮作用。例如，古建正逆向建模、古建筑BIM應用、古建筑裝配式、結構分析預測、古建筑智能建造和古建筑3D打印等。