三維激光掃描在文物建筑保護中的應用
——以德格印經院為例

麥賢敏，王曉亮，鐘 磊，任 濤

引言

歷史建筑作為人類文化傳承的重要載體之一，蘊含著豐富的人居智慧與多樣的文化信息，在人類社會發展中應加強保護與利用。目前，中國對歷史建筑保護的重視程度在不斷增強，但仍有為數眾多的歷史建筑在逐漸損壞或消失。特別是一些偏遠地區的重要歷史建筑，由于交通不便、經濟落后和技術陳舊等原因，現場調查面臨諸多困難，極大地阻礙了對歷史建筑文化價值和科學智慧展開深入的研究。近年來，一些新型技術手段（如三維激光掃描技術、遙感技術等）逐漸應用于近代歷史建筑及歷史街區數字化保護研究領域，為歷史建筑研究與保護提供了創新技術路徑。其中，就三維激光掃描技術而言，研究者可通過掃描三維空間數據建立精確而完整的數字信息資料，記錄歷史文物建筑當前的狀況并發現問題。該技術的應用可對歷史建筑進行全面的資料收集，對手工難以測量的復雜部位進行準確掃描，同時其記錄的紋理能夠反映有關建筑材料、表面工藝等實際狀況信息，可用于對比研究建筑材料隨時間的變化特征等情況。

德格印經院坐落于四川省甘孜州德格縣，地處四川與西藏交界處，海拔高度約3 260 m，總占地面積約5 000 m，總建筑面積9 000 m。德格印經院是藏式建筑的重要代表，融合了高原地區建筑、少數民族建筑與宗教建筑的諸多特點，具有極高的保護與利用價值，1996年被列入第四批全國重點文物保護單位。目前德格印經院基本的印經功能仍在運行，也是當地重要的旅游目的地，但由于地處高原且交通不便，對其深入研究相對較少，因而關于建筑的信息資料不足。本研究團隊以德格印經院為對象進行三維激光掃描，對建筑的立面風貌、空間結構、構件形式、內部彩畫等詳細掃描建檔，整理數字信息資料。通過數字技術收集德格印經院建筑現狀信息，掌握其目前精確的建筑狀態并展開深入研究，同時與后期數據比對可幫助認知歷史建筑的發展變遷。將歷史建筑保護與數字化技術相結合，符合國家文化創新工程的倡導，對后續研究與保護工作尤為重要。

1 三維激光掃描在文物建筑保護中的應用

三維激光掃描技術通過激光高速掃描的方式，獲取被掃描物體的三維空間點云數據，且數據可附帶顏色、坐標等信息，使研究者能夠快速且高效地自動采集歷史建筑的三維信息，記錄被掃描物體當時的完整狀態。

這項技術日益成熟，逐漸被應用于古建保護、壁畫修復、變形監測等多個方面。將三維激光掃描技術應用于歷史文化建筑的安全評估與預防監測工作中，具有識別度高、數據精準、效率高、操作簡單、便于測繪不規則物體等優點，適用于掃描復雜物體、人手不夠等情況。三維激光掃描的初步成果為原始點云數據，可通過SCENE軟件進行點云處理，獲得建筑空間切片、建筑三維模型，根據SCENE軟件生成的模型數據可繪制出更為準確的CAD技術圖紙等，從而更好地為文物建筑的精確測量和保護提供技術支撐。

2 德格印經院三維激光掃描方法

2.1 研究對象

本研究以德格印經院為研究對象。德格印經院始建于1729年，是中國藏族聚居區三大文化中心之一，其對藏族文化的繼承與傳播產生了強大的聚合力和輻射力，在藏族文化傳承與保護方面作出了重要貢獻。其中，作為德格印經院建造者的德格土司，被后世贊頌最多的功業在于兩件事情，即雕刻《大藏經》與修建印經院。

經國務院批準，德格印經院的藏族雕版印刷技藝于2006年列入第一批國家級非物質文化遺產名錄。該院至今保存有總數超過20萬塊的經板，院內關于藏族雕版的印刷活動仍在繼續。德格印經院不僅是藏經樓和印刷廠，而且是集收藏、出版、印刷于一體的綜合性文化傳播中心。印經院的建筑設計蘊含當地民族區域特定時期政治、經濟、文化的發展狀況信息，其結構與空間布局體現出藏傳佛教建筑凝重沉穩的風格和民族特點，也反映出當時當地人民高超的建筑技術水平和建造智慧。

2.2 掃描方案及機位布置

本研究利用三維激光掃描儀對德格印經院的內外全貌進行精確測繪，包括建筑軸線尺寸、平面布局、各層層高、建筑分隔、門窗位置等主要建筑信息。在開展三維激光掃描前，根據德格印經院的結構特征，確定了“先室外后室內”和“室內由低到高逐層掃描”的掃描方案，所掃描的各空間之間通過門洞和樓梯等通道進行空間數據連接。在三維激光掃描過程中，由于印經院內部結構復雜且遮擋較為嚴重，單個掃描機位存在諸多盲區。為保證掃描數據的完整性，采取多個機位多點測試及利用拼接技術進行掃描的方法。掃描時，不同機位通過相同的標靶球進行點位識別，從而進行不同機位的數據拼接。

在站點與標靶球位置的設置中，參考儀器教程與相關研究，遵循以下原則：（1）在滿足掃描完整性的前提下，盡量減少機位。拼接的數據越多，拼接數據的難度越大，也越容易出現較大的誤差。（2）標靶球的設置呈不規則三角形，保證在數據拼接時清晰且準確地對點。（3）設置標靶球時，需讓掃描儀獲得更多的掃描空間。在進行多空間掃描時，盡量通過同一標靶球進行數據拼接，可減少標靶球換位、補標靶球點等情況出現。（4）站點布設考慮建筑內外部交通情況，盡量避開或減少游人以及工作人員可能帶來的干擾。

文物建筑在進行掃描時，由于測站數量多、數據量大，為便于數據管理、提高數據處理效率，往往將測區分割成多個層級。在德格印經院的三維掃描中，將測區分為6個大層級，包括建筑外立面、一層空間、二層空間、三層空間、四層空間、屋頂空間，并進行分層編號。

建筑外立面（不包括屋頂）的機位共9個（圖1（a））。建筑一層在外天井、大金殿、護法殿、西區房間、東區房間等位置進行機位布置，以外天井為中心進行各個空間的銜接，機位共計45個（圖1（c））。以外天井為連接空間進行一層與二層的數據連接，二層主要在走道、展覽區、藏經區、存紙室掃描，機位共計49個（圖1（d））。通過二層走道區域與三層進行數據拼接，三層主要在露臺、改經板區、藏經區、印經區、出挑印刷室掃描，機位共計60個（圖1（e））。通過印經區與四層進行數據拼接，四層主要在走道、唐卡室、雕經板室、晾曬場掃描，機位共計24個（圖1（f））。最后通過晾曬場與屋頂進行數據拼接，屋頂共設置機位12個（圖1（b））。整個德格印經院建筑信息的三維激光掃描共計設置199個機位。

圖1 三維激光掃描機位布置

2.3 掃描實施與數據處理

德格印經院三維激光掃描工作按照常規流程開展，主要包括3個步驟：首先，開展建筑調查，走訪調查待掃描建筑的空間特征，確定使用參數，并提前布置掃描點位，避免漏掃、漏標靶球點位等問題出現；其次，實施數據掃描，數據掃描中需注意保證參數一致、掃描過程中不移動機器、保持標靶球點位不動等環節；最后，進行點云數據處理，包括點云數據整理拼接、對掃描數據進行篩選與優化、數據補掃等過程。

將三維掃描得到的點云數據導入SCENE軟件，在刪除多余點云后，通過計算機識別標靶球的方式進行不同機位的拼接，拼接完成后即可得到德格印經院的數字模型（圖2）。對點云數據組成的數字模型進行切片，可進一步獲得德格印經院建筑平面、剖面、立面等切片數據，將這些對應切片數據導入AUTOCAD建模軟件，即可在此基礎上繪制出印經院的平面圖、立面圖、剖面圖等技術圖紙。

圖2 德格印經院SCENE原始點云數據三維視圖

在進行三維激光掃描的工作過程中，遇到光線太強導致掃描照片圖層過曝、室內空間較暗導致點云數據無法著色等問題，研究團隊在進行三維激光掃描儀操作時注意根據不同的光環境及時調整測量參數。另外，針對掃描過程中存在建筑空間復雜、遮擋物多、需要掃描的室內外空間數量多、數據處理需要多次切換和拼接等問題和困難，整個掃描過程中，在切換機位時合理運用標靶球，減少標靶球的移動，并保證其放置點位的精確，以減少數據誤差。

3 德格印經院建筑特征分析

基于三維激光掃描技術對德格印經院的全面掃描，獲取精細的建筑數字模型，并在此基礎上對德格印經院的建筑功能與特征展開深入研究，具體包括印經工藝流程、建筑空間布局分析、建筑風貌特征、建筑物理環境營造智慧分析等。

3.1 印經工藝流程

德格印經院是世界上規模最大的手工木版印刷中心，雕版印刷技藝為其重要的非物質文化遺產。德格印經院的雕版印刷技藝圍繞印刷經文展開，其工藝流程可分為顏料加工、經板加工和經文印刷3個部分（圖3）。其中，經文印刷是核心部分，顏料加工與經板加工為經文印刷的前期工作。

圖3 德格印經院雕版印刷主要工藝流程

印經工藝流程具體如下：

首先，制作雕版印刷所需要的朱砂色與黑色等顏料。其原料主要為特定的礦石與植物，在顏料制作室用木棒搗碎，加水攪拌至其均勻。

其次，開展經板加工，分為新板加工和舊板加工兩類。印經院一般采購預加工成經板樣的松木板，堆放在通風避陽處。需要使用時，取出存儲的木板進行經文雕刻。雕刻完成后，用酥油做表面處理，曬干后用當地一種名叫“蘇巴”的植物根須熬水清洗，去除多余油脂，再次曬干后保存。若經板存在文字錯誤等問題，需去除錯字，進行修改處理。使用過的經板還需進行清洗，用刷子把干墨刷掉，以免出現墨塊堆積等影響印刷效果的問題。

然后，開展經文印刷工作。經文印刷采用手工生產的藏紙，當地人認為藏紙有防蟲蛀、永不褪色、重量輕、白度低四大優點。在裁紙室將大幅正方形藏紙裁剪為長條狀，然后進行捆扎存儲，需要使用時運往印刷場地。印刷工人在藏經板處挑選需要印刷的5—6塊經板，回到印刷場地，兩人為一組，在經板上刷墨，將經板上的墨印上藏紙，用軟滾筒壓一次，而后更換新藏紙，如此重復。印刷好的經文被運往晾曬場，風干后送至封邊室，進行邊緣修剪及上色，而后捆扎存儲。

3.2 建筑空間布局

德格印經院建筑共分為四層（圖4），其內部空間較為復雜，根據其使用功能可大致分為朝拜空間、存儲空間、展示空間、紙張處理空間、經板空間和印刷空間。印經院整體空間布局以三層的印刷空間為核心，一、二層為印刷前期和后期處理的功能空間，三層其他空間和四層為經板存儲空間。

圖4 德格印經院建筑平立剖面圖

整體建筑空間圍繞印經的工藝流程布局，方便印刷工作的進行（圖5）。

圖5 德格印經院空間功能布局示意

（1）朝拜空間：印經院共有3個朝拜空間，分別為一樓大金殿、護法殿和屋頂的度母殿。一樓兩個大殿是整個建筑中面積最大、層高最高的空間，分別位于中庭左右兩側。屋頂的度母殿是整個建筑的最高點。

（2）存儲空間：印經院的存儲空間包括多功能倉儲空間和經板存儲空間。多功能倉儲空間主要集中于一樓，分布在不同的功能空間旁，包括顏料倉儲、紙張倉儲等。主要存儲空間為經板存儲空間，印經院的經板數量龐大，經板存儲空間占比較多，主要集中在中庭北側二層與三層部分。

（3）展示空間：該空間單獨存放印經院貴重的經板、經文和工藝品等，位于中庭南側的二層。

（4）紙張處理空間：紙張處理空間中容納的功能主要為處理印刷紙張的相關工作，如裁紙、封邊、捆扎存儲等，主要集中在中庭南側的一層與二層部分。

（5）經板空間：經板空間主要容納新板雕刻、經板晾曬、舊版修改、洗經板等功能，其中洗經板功能空間位于一層，其余空間主要位于三層和四層。

（6）印刷空間：印刷空間包括顏料加工場地、印刷場地、晾曬場地等，其中顏料加工位于一層，其余空間主要位于三層和四層。

德格印經院建筑結合印經工藝流程的需要，較為合理地布局相關功能空間，以利于提高印經的質量與效率。印刷空間位于經板存儲空間的核心，以便印刷工人挑選和更換印刷的經板。雕刻經板空間基本與經板存儲空間相近，以便存取雕板。晾曬空間安排在四層與露臺空間，以便獲得良好的通風與采光。

3.3 建筑風貌特征

德格印經院建造的基地地勢東北高、西南低，其建筑利用基地高差，巧妙形成了室內空間層高的錯落，塑造體量并豐富空間。建筑整體采用墻柱混合承重結構，外墻及立柱共同承擔橫梁傳遞的荷載。屋頂為藏式建筑傳統的夯土做法，其泥土選擇要求細且黏，以防漏雨。

德格印經院立面大體分為墻腳、墻身、屋頂3段，墻腳以石塊堆砌，墻身用土夯筑，屋頂邊緣用邊瑪草捆扎填充（圖4（a））。建筑外部的主要色彩包括紅色、黑色和金色。在立面上主要體現為涂刷了紅色顏料的墻腳和墻身、涂刷成黑色的邊瑪草以及屋頂上金色的裝飾物。

進入印經院大門便是一處狹長的天井空間。庭院空間串聯起一、二層重要的大金殿與護法殿。庭院空間的兩側為主要的縱向交通空間，連通印刷空間與經板儲存空間等。建筑的三、四層設置兩個采光與通風中庭，中庭屋頂側面通風，為印刷空間與經板儲存、晾曬空間帶來適宜的采光與通風條件。印經院的室內空間色彩更為豐富，室內的墻身與木梁處繪制有大量的彩畫，包含藍、綠、白、橙等多種鮮艷的顏色。

德格印經院造型整體性強，具有藏式建筑的厚重感，典型的高原建筑裝飾構件使其具有鮮明的辨識度。

3.4 建筑物理環境營造智慧

研究團隊對德格印經院的室內外溫度、濕度、風速等物理環境進行監測，發現在高原晝夜溫差較大的氣候環境下，印經院室內溫度、濕度與風速較為穩定，為印經板的保存提供良好的室內環境條件。分析認為，德格印經院室內相對穩定的物理環境，受益于其傳統建筑構造特色以及結合空間設計的自然通風系統。

印經院建筑外墻為夯土墻，墻厚超過1.6 m，建筑的屋頂也是傳統的夯土屋頂，整體而言，建筑的外圍護結構具有良好的保溫隔熱性能。在夏季強烈的陽光照射下，直接受陽光輻射的墻外側溫度升高，但墻的內側仍然保持涼爽，外墻的內外兩側能夠產生15 ℃以上的溫差。

印經院的建筑空間依托獨特的門窗洞口，形成一套良好的自然通風系統。建筑共設置3個豎向通風空間，其一為位于入口處的大天井，長34 m、寬5.4 m，為四層通高；另有兩個內部的小中庭，長13 m、寬2.6 m，貫穿三、四層。印經院建筑屋頂及四層樓板處還分別設置兩個小通風口。白天空氣經建筑北墻外窗流入，通過兩個天井、四層樓板通風口、屋頂通風口，形成有效的氣流通道，促進建筑室內物理環境微調節，使得經板儲存空間在良好的微通風條件下保持適宜的溫濕度條件。而在夜間，建筑北墻外窗會被關閉，厚重的夯土墻、夯土屋面使得室內溫度不易降低（圖6）。

圖6 德格印經院點云模型西側中庭剖面軸測圖

在建筑光環境層面，德格印經院也在各個重要的功能空間中巧妙地引入自然光。印經院需要較強光線的經板修補等空間，直接面向大天井，獲得良好的光照條件。而印經空間、經書晾曬空間對光線的需求較為精細，既不能在陽光直射的位置，也不能過于昏暗。德格印經院利用兩個小中庭，引入柔和的自然光線解決這些空間的光照條件需求。

4 德格印經院數字化保護研究

4.1 德格印經院建筑變形分析與監測建議

對德格印經院點云模型進行分析，發現該建筑整體呈現一定程度的傾斜現象（圖7）。在各變形部位中，中庭北側最為嚴重，在三維模型中截取該部分的投射正視圖可見其柱體歪斜、檐口線下沉，檐口線與水平基準線最大偏角為2°，最大下沉距離為94.8 cm（圖8）。對點云模型進一步分析，發現四處的變形位置（表1）主要集中在建筑西北側。經分析，印經院建筑的整體傾斜現象，可能是由于建筑地基出現了一定程度的沉降。

表1 德格印經院主要結構變形位置記錄表

圖7 德格印經院點云模型南側天井剖面

圖8 點云模型變形部位分析

三維激光掃描技術所建立的精確點云模型，能夠在計算機上清晰地分析建筑的變形情況。在計算機上設置水平與垂直基準線作為參照，可較為簡易地分析出建筑傾斜等結構變形情況。然而，對點云模型的測量結果僅為測量時間點的瞬時變形量，可每隔半年進行一次建筑變形監測，通過前后數據對比觀測其變化。研究團隊已向德格印經院管理機構反饋建筑變形情況，建議參照《建筑變形測量規范》（JGJ8—2016）進行建筑變形狀況監測，以確定建筑沉降和結構變形的速度及其他情況。

4.2 德格印經院建筑歷史信息檔案建立與維護

由于人類活動、社會變遷、環境變化、自然災害等多種原因，建筑文化遺產的可持續性受到一定影響。數字化保護基于新技術的開發與利用，為建筑文化遺產保護提供了創新思路與途徑。德格印經院從建造至今已近300年，其間歷經多次維修與改造。目前的德格印經院與初建時期已有一定程度的變化與調整，其中，壁畫就曾經歷過大規模的重繪，結構也實施過若干加固措施。考慮到德格印經院仍在使用中，后續也可能會發生一些預想不到的變化，全面而精確地記錄德格印經院當下的建筑狀況，對日后的保護與修繕有著重要意義。

傳統文化建筑遺產的數字化記錄需要大量資源、時間和精力的投入，而三維激光掃描技術的應用，將有助于推動建筑信息檔案的建立與維護。此次研究基于對德格印經院的三維激光掃描，建立精確的三維點云模型，并在此基礎上繪制印經院的平面圖、立面圖、剖面圖，建立矢量三維模型，生成點云切片等高質量的數據資料，構建了較為完善的建筑信息資料庫。

針對德格印經院這樣的重要建筑文化遺產，應當建立定期的數字化保護數據庫更新與維護制度，并推動建立建筑信息資料的公眾共享平臺，通過立體重構與生動再現，促進文化傳播與信息查詢。

5 德格印經院數字化保護的啟示

（1）文物建筑的空間往往比較復雜，需對三維激光掃描現場工作時間有充分的預判。在德格印經院掃描案例中，由于建筑存在多處小空間、地基存在高差、建筑內部錯層等原因，研究團隊設置的199個三維激光掃描機位仍未能完全將建筑空間的全部角落進行掃描。

（2）三維激光掃描的點云模型能夠有效減少文物建筑測繪產生的誤差，并提高建筑測繪的效率。類似德格印經院這樣擁有諸多細部構造與設計的建筑，運用傳統測繪方法容易存在誤差，三維掃描技術能夠精確還原建筑原貌。尤其在高原建筑研究中，由于地處偏遠、交通不便和高原反應等影響，現場測繪時間受到一定的限制，新技術的應用能夠極大節約現場測繪的人力與時間。

（3）三維激光掃描技術在監測文物建筑結構變形、建筑材料性狀改變等方面，具有良好的應用前景。建立德格印經院的點云模型之后，能夠簡易地通過參考線對比，發現建筑的變形問題，及時提出監測預警。通過間隔一定時間的多次三維掃描數據比對，可精確分析建筑結構變形、材料性狀改變的速度與發展狀態。

（4）建筑文化遺產蘊含著豐富的人居與文化智慧，研究中綜合多學科技術與工具，能夠帶來更多創新發現。在德格印經院的研究中，除三維激光掃描技術之外，還融入建筑物理測試、高光譜攝影、全景影像等技術，多種技術手段成果的交叉印證，為更深層次揭示建造智慧提供了良好基礎。

6 結語

對德格印經院開展三維激光掃描工作、建立德格印經院準確的數字信息檔案，既是文物建筑數字化保護的重要路徑，也為深入開展相關的技術、構造、文化等研究提供隨時可以查閱的基礎資料，更為信息化時代促進文化遺產的傳播與宣傳提供生動的三維影像。新技術的發展與應用，將為文物建筑保護與利用工作帶來更多的機遇與支持。

說明：參與德格印經院三維激光掃描工作的工作人員除作者外，還包括李姝靚、楊茜茹、熊健吾、韓瑜、黃婷、胡釘源、董馨怡、劉縵紓。