三維激光掃描技術在廣西客家圍屋保護工作中的應用探討

歐波

（廣西民族博物館，廣西 南寧 530028）

三維激光掃描技術是高速激光掃描測量技術，通過快速掃描被測物體表面結構，獲取高精度掃描點云數據和表面空間坐標數據，能快速對物體進行三維建模和重現，能有效反映客觀事物的真實形態特征，具有高效率、高精度、高密度、無接觸、實時性強、安全性高等特點，因此在文物數字保護領域應用越來越廣泛，并逐漸成為當前文物保護技術研究熱點之一[1]。

1 三維激光掃描儀技術在客家圍屋保護工作中的優勢

客家圍屋是客家人的代表性民居，是客家人遷徙的歷史見證物，具有重要的歷史、藝術和文化價值。重要建筑需要采用積極的手段進行保護，為建筑的保護和修復、管理和展示提供科學完整的依據。

1.1 有效提高效率，提供可靠數據依據

三維激光掃描技術克服了傳統測量技術中耗時長、效率低、工作量大、數據不夠準確等局限，能快速獲取掃描物體的立體信息，清晰描述其整體和關鍵要素，掃描面積大，抗干擾性強，極大的提高了數據的獲取能力和工作效率，高精度的準確數據也為建筑保護修復方案的制定提供了可靠的科學依據。

1.2 轉變工作重點，側重研究保護

以往圍屋保護工作中，建筑本體的測量耗費了工作人員大量精力，運用三維激光掃描技術，可以把研究者從瑣碎的基礎工作中解放出來，更專注于文物的分析、研究和保護工作中。

1.3 助力科學建檔，逆向重建工程成為可能

三維激光掃描技術實現了圍屋全方位真實、準確的數字化記錄，生成了一系列實體建筑空間、點、線、面、體等標準翔實的數據，為建筑原始資料的檔案建立、修繕和復建等保護工作提供了科學的依據，也使三維逆向重建工程的實現成為了可能。

1.4 成果數字化，增強科普宣傳力度

通過三維激光掃描技術獲取的三維數據成果，具有可視化、仿真化、數字化和精細化等特點，在互聯網時代賦予了鮮活的生命力。這些形象生動的數字成果對文化機構展覽的直觀展示、社會教育的科普宣傳、優秀遺產文化的傳播和弘揚都起到了積極的作用。

2 項目概況

全國重點文物保護單位廣西賀州市八步區蓮塘鎮仁沖村的江氏圍屋始建于清光緒年間，規模宏大，保存完好，具有獨特的建筑藝術風格和深厚的歷史和文化價值，是廣西客家圍屋的杰出代表。由廣西民族博物館組織文化遺產保護科技公司啟動的廣西民族文化“1+10”陳列文物數字化保護項目中，采用了三維激光掃描技術對圍屋進行數據采集并取得了一系列的成果。成果廣泛應用于博物館的陳列展示和科普宣傳工作中，獲得了良好的社會反響。

3 實施工作流程

3.1 前期工作

3.1.1 開展文獻資料收集，走訪當地建造工匠，為后期圍屋建筑形制、建筑復原動畫符合事實和科學原理提供依據。

3.1.2 收集測量區域和附近已有的控制測量成果及地形圖資料。

3.1.3 外業踏勘，為避免數據采集時發生意外對工作環境、作業安全系數進行分析，定制技術路線。

3.2 現場工作

3.2.1 三維激光數據采集。圍屋建筑體量比較大，共占地23畝，四堂四橫，16 個天井，廂房100 多間。根據現場環境詳細勘察，圍屋內部數據采集利用Faro Foucs3D120 相位式三維激光掃描儀進行多角度激光掃描獲取圍屋激光點云數據；圍屋外部數據采集采用大疆無人機全景掃描結合三維激光掃描的方式進行數據采集。

標靶布設：在保證通透性的情況下均勻布設球形標靶，掃描儀與標靶的+間距基本控制在2-10 米范圍內。

激光掃描：儀器架設注意場地平整度，掃描時遵循多視角、全面覆蓋掃描原則，合理設計掃描采樣密度，獲取三維激光掃描原始點云數據和全景影像數據。為確保每站掃描獲取表面完整數據，兩測站間掃描表面重疊度至少控制在30%以上（在保證采樣率和拼接精度的前提下，合理設置最少架站數量以提升后期內業數據處理效率）。針對較高部位，在確保掃描采樣間距不變的條件下增加掃描距離進行分層掃描；針對復雜表面，加大掃描密度進行針對性掃描儀獲取完整特征數據[2]。

搬站：此項目圍屋內、外部掃描期間共布置了104 個站點。

見圖1、2。

3.2.2 圍屋表面高清紋理數據采集。圍屋立面及屋頂的高清紋理信息采用高清單反相機和無人機進行影像信息采集，采集過程遵循從整體到局部，先全景后細節的原則，注意不同時期光線對成片的影像，保證在最小數據量的情況下完成所有紋理采集完整；用于制作正射影像的照片重疊度控制在30%左右。

圖2 采集作業現場

3.3 數據處理、三維模型

Faro 三維激光掃描儀自帶的Sence 軟件可適當對原始點云數據進行預處理，這里我們使用了中海達自主研發的點云預處理軟件（HD 3LS Scene）和基于AUTO CAD 平臺二次開發的三維激光點云建模軟件（HD PtCloud Modeling），對原始點云數據進行點云拼接、去除噪點、點云分類、過濾等預處理，統一空間坐標系將點云和影像配準，使點云自動賦色生成影像點云。根據點云輪廓線提取快速構建模型，對模型進一步高清紋理貼圖處理，制作出標準三維模型[3]。（圖3-7）

圖3 HD PtCloud Modeling 自動化建模流程

圖4 點云模型

圖5 三維素模

圖6 圍屋三維模型

圖7

3.4 精度說明

三維激光掃描獲取的建筑三維坐標數據，精度可達到毫米。本次項目采用的三維激光掃描儀為Faro Foucs3D120，所取得的成果誤差主要出自設備的測距精度（25 米處誤差2 毫米范圍內）、球形標靶識別精度（約1.5 毫米）和全站儀的測量精度三個方面[4]。

4 成果應用

基于三維數字模型，我們可以制成各類剖面圖、結構圖、工程圖；實現空間模型完全一體化和模型建構的完全可逆操作，進行虛擬現實或模擬修復應用；幫助研究人員更開展圍屋形制結構、營造方法等多個領域的深入及拓展研究。

4.1 可實現任意測量功能

通常在建筑保護與修復過程中，現狀測量是否準確和全面？直接關聯著建筑結構變形分析的判斷和圖紙設計的精確。高密度、可視化的三維激光點云數據和仿真模型，將有助于我們對建筑整體形態、結構、重要構建等關鍵信息的觀測和分析研究。我們可以利用三維點云模型或高精度的三維模型，根據具體需求生成各類建筑的線劃圖、建筑的平、立、剖面圖等。具體可直接運用點云處理軟件或者三維建模軟件，與AutoCAD 聯合進行基于點云或模型的二維多段線量測、三維多段線量測、平面擬合、球面擬合和柱面擬合，進行任意視圖的單切片、多重切片處理和截面管理等。相比較點云數據的轉換效率，通過三維模型進行繪制切面的方法要相對效率更高。數字成果直觀、便捷、智能地實現了對建筑任意的點、線、面、空間的測量及對稱性和形變分析等操作，數據精準，為工作人員后續圍繞建筑開展系列基礎的研究和保護工作提供了科學支持。

圖8 生成線劃圖

4.2 正射影像圖

紋理映射是制作正射影像圖的關鍵，紋理映射是通過空間投影關系，將三角網模型與相應照片對應融合生成虛擬彩色模型，經過映射紋理模型輸出的正射影像能夠按照模型的幾何精度來表現建筑表面的各類特征，這對建筑外形結構及表面信息保留具有重要意義。

4.3 基于模型的分析研究、宣傳應用（包括研究、保護、修復、重建等）

三維激光掃描取得成果的數字化的特點，還可以對建筑部件實現模擬修復、重建等完全可逆操作的演示應用，這對文保修復方案的制訂、大眾科普和文物展示宣傳工作都起到了積極的作用。

圖9 建筑三維復原動畫片段節選

項目中，我們撰寫圍屋建筑形制構造復原動畫的分鏡頭腳本，根據動畫分鏡頭腳本設置動畫運動軌跡和渲染參數，通過分析各物件材質需求布置燈光、配置音樂，從整體上把握動畫的節奏和風格，并在視頻合成軟件中進行合成了長達7 分49 秒的賀州客家圍屋建筑形制構造復原動畫。動畫內容主要包括圍屋的建造過程和建筑本體游覽，清晰地展示出了賀州客家圍屋的形制構造，生動再現了圍屋精湛的建造技藝。

5 結論

三維激光掃描技術為建筑遺產的保護提供了一種可靠的數字保護方法，它極大的提升了文化遺產的科學保護手段，目前已經廣泛地應用到文保工作的各個領域。隨著這項技術的不斷成熟和軟、硬設備的進一步發展，其記錄的對象、獲取及管理數據的功能也將越來越強大，我們在應用這項技術的同時，也要注意和其他技術手段的相互補充和借鑒，繼續探索其在建筑遺產保護領域中的勘查設計、安全監測、工程實施和保護管理等各方面的廣泛應用，這還需要我們文物保護工作者不斷拓寬知識領域，繼續加強學科交流并積極探索實踐。