基于三维扫描点云数据的古建筑数字化保护技术

李雪

摘 要：近年来，三维激光扫描技术在古建筑保护修缮方面的应用日渐广泛。但是目前三维激光扫描的点云数据大多用来进行三维建模或者进行二维线性图纸的输出，大量财力物力得来的数据没有充分发挥作用，因此，文章将对三维激光扫描数据在古建筑数字化保护方面的应用进行研究。

关键词：三维激光扫描；古建筑；数字化保护

随着我国对建筑遗产保护工作的重视程度逐步增加，对古建筑保护修缮技术的要求也随之提升。古建筑信息采集作为古建筑保护的基础性工作具有深远的意义。近年来，古建筑保护正向着以数字化安全监测为代表的研究性、预防性保护方向发展，这就给古建筑信息的采集、处理、存储和传输以及可视化等多方面提出了更高的要求。

三维激光扫描技术能够直接快速地获取实体表面信息。与传统信息获取技术相比，它具有非接触式工作、受外界因素干扰小、扫描速度快、精确度高、兼容性高等各种优点。将三维激光扫描技术引入古建筑的数字化保护中，能够为古建筑的保护修缮工作提供高精度、完整的空间数据信息。

点云数据是三维激光扫描后得到的数据成果，点云数据是包含点的三维坐标及颜色属性的点集合，可以进行距离、角度、体积、面积等各种测量工作。但是在三维激光扫描技术引入古建筑保护领域后，如何使用及表达点云数据，在业内缺乏思考及探索，没有发挥点云数据的真正价值。因此，本文将对三维扫描数据在古建筑数字化保护方面的应用进行研究。

一、基于点云数据的建模及图纸输出

在三维激光扫描工作结束后，首先要对点云数据进行处理，为后续的应用打好工作基础，包括点云坐标确立、去噪和滤波、数据拼接及点云封装等工作。

基于点云数据的建模主要有多边形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及复合建模四种方式。除此之外，利用点云数据与BIM相结合，建立参数化模型，还可以满足数字化保护的存档、数据库建立、图纸输出、多部门配合等需求。

现状正射点云图直接来源于扫描的点云数据，包含了建筑完整的几何信息，内部结构及周边的环境信息，无需数据转换，非常适合古建筑现状的图纸记录。通过导入工程制图软件平台，还可以对点云数据进行标注及测量。

此外，在建筑图纸表达上，可以将点云正摄图纸与传统的CAD图纸表达相结合。建筑的主体部分用传统的制图方式，在点云正摄图数据的基础上进行绘制，而纹路比较复杂、装饰比较繁多的地方运用点云正摄图纸进行表达。最后将两部分表达方式合成同一张图纸，既符合了传统建筑制图的要求，又准确直观地表达了建筑细部。

二、点云数据在古建筑数字化保护方面的应用

（一）点云数据的立体展示应用

在以点云数据为基础所建立的三维空间模型中，可以采用多视角、动态交互的浏览方式，任意选择观察的位置以及视线的方向，随时进行剖切浏览，摆脱了以往利用二维图纸进行解读信息的局限性，对建筑的内部结构特征也能很准确地解读。在高精度扫描的数据中，对建筑细部、建筑色彩信息也能更直观地进行记录浏览。

除此之外，还可以开发相关的互动程序，方便用户对模型进行更直观的浏览。例如，在立体模型上直观展示建筑的病害残损信息，用户点击相应病害区域即可显示建筑的病害类型、面积、程度等相关信息。加入人机互动程序，利用手势等旋转、放大建筑模型，将分解的建筑构件移动、拼装起来。此外，还可以将VR等技术引入古建筑数字化保护中，以点云数据模型为基础进行立体展示。

（二）点云数据对古建筑安全的监测

1.古建筑安全的信息监测

三维掃描得到的点云数据可以用来分析建筑本体形变、建筑墙面及地面的整体平整度，实时监测建筑病害等。以预设的扫描测绘密度自动获取数以亿计的点位数据，然后通过视觉化表现手段直观显示出这些数值的变化关系，有效监测其变形范围及量级，以达到防灾减灾的目的。

点云数据能够直观地展示建筑物的病害残损信息，发现古建筑诸如梁、檩、枋等结构出现的下斜、扭曲、变形的细微变化。还可以通过建立轴向垂直平面及三维点云的拟合参考平面，对古建筑的墙体、地面进行分析。通过彩虹图高程偏差分析，得出残损病害的具体数值。此外，利用不同时期三维激光扫描得到的点云数据，还可以对病害进行实时监测。具体的变形特征需要提取不同时期三维点云数据变形结果进行对比分析，并在此基础上预测病害的变化趋势，这对发现安全问题并及时采取保护防范措施具有重要意义。

2.古建筑环境安全管控

古建筑数字化保护不仅是指建筑本体的保护修缮，也包含对建筑环境的安全管控。古建筑环境管控范围通常包含平面建设范围及建设高度控制两大方面。周边相关建筑的建设不能超过相应的红线范围，而这种红线是虚拟的，在现实世界中不是真实存在的，这就给执法人员对违章建筑的鉴定带来了相当大的困难。

三维激光扫描技术能够得到完整的带有周围环境信息的数据模型，在此模型基础上，根据古建筑保护的相关规定，建立立体的红线范围，在模型上直观显示。执法人员在现场用手机等便携式移动拍照设备，对疑似违规的建筑进行拍照取证，按照摄影建模的标准进行数据采集，将所得的图片发送到后台工作人员的电脑上，后台工作人员通过快速的摄影建模，将疑似违规的建筑准确地放入到带有立体红线的点云数据模型中，通过建筑是否触碰到立体红线，即可直观地判断出该建筑是否违章，确保古建筑环境的安全。

（三）点云数据辅助古建筑修缮复原

1.点云数据指导古建筑保护修缮尺度

一座流传保存至今的古建筑，通常在历史上已经经历了几次修复，不同年代的修复工匠都在该建筑的修缮中掺入了时代与个人因素，形成了尺度形变。并且现存的古建筑大多存在歪闪、残损等病害，人工测量又带有主观误差性，测量得到的数据失去了原有建筑设计尺度的原真性，如果按照残损的数据进行修复只能加剧建筑的形变。

要想还原建筑的原真性，我们就要打破传统的经验方法的局限，始终把建筑的总体结构视作有机的整体，从整体上把建筑的尺度关系。传统测绘数据繁杂细碎，点云数据能够直观把握建筑的整体尺度，修正建筑因残损、糟朽造成的误差。利用三维激光扫描整个建筑所得到的点云数据，通过对比整个梁架体系的尺寸关系，参照《营造则例》等书籍进行数据比对，找出准确的斗口尺寸，进而整体把控建筑的尺度关系，找到古建筑理论上的营造尺度，对后续的修复工作进行修正指导。

2.基于点云数据的古建筑虚拟修复

在古建筑修缮领域，数字虚拟技术的应用日益普及，以点云数据为基础的数字建模为古建筑的勘察保护、虚拟修复和再现展示提供了完善的数据信息。利用三维激光扫描得到的点云数据，首先进行古建筑及周边环境的场景塑造，建立古建筑虚拟修复系统，对残损和病害的部分进行虚拟修复，为古建筑保护修缮方案的制定提供数据支持。还可以建立古建筑彩绘、壁画的色彩和图像的数据信息系统， 通过古建筑彩绘和壁画修复软件以及古建筑彩绘和壁画配色软件的使用，对古建筑彩绘和壁画高效虚拟修复。

基于点云数据的虚拟修复，可以对修复方案进行反复推敲，避免了因盲目修复对古建筑造成的不可逆转的伤害，同时也有利于对修复成果进行直观的展示对比。

三、结语

三维激光扫描技术给古建筑测绘领域带来了新的发展，本文粗略地探索了三维激光扫描点云数据在古建筑数字化保护方面的应用，具体的实施过程还需要多学科之间的交流，希望古建筑保护工作者拓宽知识领域，积极地进行探索与实践，充分发挥三维激光扫描数据的价值。

参考文献：

[1]白成军.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用及相关问题研究[D].天津大学，2007.

[2]李强，邓辉，周毅.三维激光扫描在矿区地面沉陷变形监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2014，（01）：119-124.

[3]熊友谊，冯志新，陈颖彪，李雁.利用点云数据进行三维可视化建模技术研究[J].测绘通报，2012，（05）：20-23.

作者单位：

北京工业大学；北京市历史建筑保护工程技术研究中心