梁昭阳

(福建船政交通职业学院土木工程学院，福建 福州 350007)

为保护世界文化和自然遗产，联合国教科文组织于1972年11月16日在第十七次大会上正式通过了《保护世界文化和自然遗产公约》,建立了《世界遗产名录》。我国拥有丰富的历史文化资源，据统计中国已经有超过55项被列入遗产名录，排名第一。在众多的历史文化遗产中，古建艺术就是典型的东方文化代表，古建作为一种文化精神的象征和载体，它们是历史记忆的符号和社会文化发展的见证者，影响着东方和世界建筑的发展。保护古建就是保护中国千百年的文化见证，中国古建筑多以木质材料为主，其易腐、易燃等特性决定其保存难度大、费用高[1]。加之其具有结构复杂精细等特点，一旦发生类似巴黎圣母院式的火灾或灾害，无法复原，其背后的文化价值损失更是巨大。传统古建保护主要以人工拍照、测量等方式进行数据收集建档，无法完整记录全部信息[2]。随着信息技术的发展，尤其是三维激光扫描技术和计算机技术快速发展和深入应用，使得古建数字化保护工作成为当务之急[3]。基于数字化技术，为古建建立一套全息数字档案，才能实现真正让古建“活起来”。

1 三维技术扫描技术

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，作为一种新兴的测绘技术，该技术具有非接触性、快速性、主动性等特性。与传统的测量仪器如全站仪等相比，三维激光扫描设备不仅突破了单点的测量方式，而且采集的空间数据包含了三维坐标信息，也包含了点位的反射强度等更为丰富的数据信息。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，是由激光射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD机以及软件等组成[4]。三维激光扫描仪采用激光三角测距原理，工作时利用水平激光束通过光源孔发射，扫描物体。当激光束通过高速旋转的平面镜时，改变激光发射角度，从而将激光束发射到物体表面，物体表面反射激光束，每一条激光线由CCD传感器采集成一帧数据。扫描仪根据激光测距记录仪器到目标的距离信息S，并同步测量每个激光脉冲横向扫描角α(方位角)和纵向扫描角β(仰角)，从而获得激光脉冲的空间方位信息，再通过三角函数转换即可得到每个点云的三维坐标信息[5]，原理如图1所示。因此，通过高速激光扫描测量的方法，可快速大面积获取被测对象表面的高分辨率的三维坐标数据。由于其具有快速性、数字化、自动化、非接触等特性，被广泛应用于土建施工、桥梁监测、工程改造、古迹测量等方面[6]。

2 技术路线

为了加强对文物的保护，继承中华民族优秀的历史文化遗产，促进科学研究工作，2017年对《中华人民共和国文物保护法》进行了修订，新法实施以来，古建文物保护得到进一步重视。各地方都开展了古建保护数字化的新技术探索和尝试，要求进行数字化建档。古建筑的数字化存在诸多难点，要对其进行数字化保护，就要对建筑群布局、单体建筑的结构、彩塑壁画、碑刻、斗拱、浮雕等信息进行数字化采集和记录。复杂的纹理信息和建筑结构是古建的特点，利用三维激光扫描技术，对古建进行全面扫描，能够同时获取点云和影像信息，构建古建三维数字化模型。本文以某红砖教堂为例，通过三维激光扫描技术进行扫描，建立点云模型，并形成数字化成果。具体技术路线见图2。

3 项目应用

3.1 外业施测

本次项目采用天宝Trimble X7 3D激光扫描仪，其采用数字化脉冲EDM激光头，扫描频率500 kHz/s，最大测程80 m，测距精度2 mm，每分钟扫描达到600万个点，测量速度快。同时该扫描仪还集成了3个同轴1 000万像素相机，扫描的同时还能够快速进行图像捕捉，获得全视野的全景图和彩色点云，能够满足针对古建复杂纹理和结构精细化扫描工作要求。根据制定的扫描方案，首先进行现场踏勘，确认建筑周边环境后，综合考虑扫描仪的作业半径和扫描质量等因素，进行合理布点。根据现场情况，测站布设时，实际测站间隔在5 m左右，同时需避开树木、路灯等遮挡物，保证扫描点云的有效性。然后进行建站扫描，根据扫描建筑的实际情况将激光扫描距离设置为30 m，减少多余数据的产生。同时扫描时确保相邻测站的扫描重叠率不低于30%，保证数据的拼接。在外业扫描过程中，针对部分构件存在遮挡或某些纹理复杂的特殊区域需要精细化扫描等情况，可以适当增加扫描分辨率和密度，对其细部结构精细精确扫描。此外，扫描时外业人员要同步进行外业记录，如：拍照、特殊区域草图绘制、其他信息记录等。在每次扫描结束后，需及时通过平板对扫描后的点云效果进行查看，检查是否存在遗漏、缺失等情况，如发现及时进行补测，或在下一测站调整扫描范围。为了提升外业扫描效率，可根据不同的被测物体，设定不同采样间距，在扫描古建外立面时根据实际范围合理选取扫描区域，在扫描古建内部结构时，采用360°×360°全景式扫描方式。

3.2 内业数据处理

外业数据采集结束后，通过配套数据线或内存卡将原始数据导出至计算机，再将外业所测数据导入到点云数据处理软件RealWorks中。在数据处理前，首先需要对外业原始数据的齐全性、完整性和可用性进行检查，并确保每一测站之间存在公共点可以进行配准。其次建立测站点云、全自动配准、配准精度检测、目视检测配准效果，并对一些不必要的噪点进行分割删除，去除“飞点”等范围外的点云，以及对于特别密集的点云数据进行重新取样抽稀处理，以减少后续作业过程中繁重的处理过程。经过配准后的点云数据得到整体三维点云模型，还需根据古建测绘建档的要求，进行平面、立面、剖面图的图件绘制。因此，要对配准后的三维点云模型进行裁切，裁切前需要对模型进行坐标校正，建立正交坐标系，通常在主立面上选定3个点建立平面，并以此为坐标系参考面，建立正交坐标系。最后，将三维点云模型进行裁切，按照平面、立面、剖面分别进行裁剪，形成相应的裁切后点云数据，供后续图件绘制使用。

3.3 内业绘图

将三维点云模型切片后的点云成果导入到AutoCAD制图软件中，利用其点云加载功能完成点云数据导入，为了在绘图过程中减少计算机负担，加载前需对点云数据进行适当抽稀和厚度裁切处理，保留各面点云厚度约10 cm即可。按照切片后的点云影像，依据古建测绘建档绘图要求进行图件绘制，内业绘图人员分别进行古建的立面图、平面图、剖面图的绘制，整饰后就得到古建存档所需的成果图件，如图3所示。绘图过程中，针对窗花、文字等复杂的表面纹理信息采集，可结合照片等影像资料进行绘制，能够提升作业效率和质量。

3.4 精度分析

为检验三维激光扫描模型成果的精度，本次综合选取了建筑5条边进行尺寸精度检查，检验成果精度。采用人工对建筑进行实地量取5条边长并记录，外业量取时采用激光测距仪，然后将人工量取结果与模型成果进行对比，得到精度统计如表1所示。

表1 精度统计表 cm

由表1精度统计可知，经过三维激光扫描的点云模型在边长数据上与人工激光测距仪所测得边长整体误差3.1 cm，能够满足古建筑测绘规范的尺寸检查中误差限差要求。

4 结语

古宅古建筑等历史建筑不仅仅是文化的传承，也是国家和民族的记忆。三维数字化技术对于历史建筑的保护，建立数字档案具有重要意义。采用三维激光扫描测绘新技术可自动获取空间内所有物体的三维点云数据，且测量速率是传统测量工具所无法比拟的。通过三维激光扫描技术在古建保护中的应用实践表明：

1)其高精度和高密度的扫描方式，能够为古建保护提供全面、真实、准确、可靠的数据成果。

2)在历史建筑存档测绘中，不仅存档了CAD的文本线画图，更是存档了三维点云矢量图，能全面无死角的对历史建筑进行真正意义上的现代化“数字化”存档。

3)通过三维激光扫描技术获取到的建筑物三维数据，具有灵活的可操作性，便于编辑和存档。

古建保护工作任重道远，现代化的数字化存档可以全面保留历史建筑的现状数据，后期借助计算机数据处理软件对古建三维数据进行编辑、再次完善，通过建立三维数据进行管理平台，不仅能够为古建日后的年久翻修或风化复原提供基础数据，还能够为旅游开发提供数据支撑。