基于三维扫描对特色古建筑数字化保护技术研究

蔡志文

（闽南理工学院，泉州 362700）

古建筑延续了历史文脉，是人类文明的载体。随着社会经济的发展，古建筑的价值逐渐受到人们的高度重视，对于古建筑必须采取积极地手段、先进的技术进行保护和利用。

1 古建三维激光扫描仪

Focus S350是目前古建筑数据化保护过程中经常使用的重要仪器之一，具有显著的运用优势。

1.1 应用广泛

Focus S350操作简单，设计紧凑，完美适应于各种应用，包括工厂工业，复杂结构记录，存储罐体以及文物保护等[1]。

1.2 精确快捷

Focus S350以97.6万点/秒的速度构造一个精确到毫米级的真实世界的三维数据[1]。

1.3 操作简单

Focus仪器本身内置电池，操控系统，配备直观的触控大屏，因此可以像使用一台数码相机一样简单的操作。能够实现对结合较为复杂的古建筑多个角度的数据采集[2]。

1.4 紧凑便携

世界目前最小，最轻便的三维激光扫描仪，重量仅为4.2kg，Focus S系列激光器如此小巧便携，可以带到任何地方。在古建筑数据采集方面运用价值显著。

2 古建三维激光扫描在特色古建筑保护中的运用价值

传统的古建测绘方法是以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸而获取的最终资料是图纸以及一些文字录。三维激光扫描技术是通过高密度的扫描点来表达和记录被测物体尺寸和形态的技术，点云数据是最为原始的测量数据，被测物体的三维几何信息都蕴含在点云数据中。立体模型可构建三维数字模型，作虚拟现实和模拟修复等应用，亦可制成各类工程图、结图、切面图等。

三维激光扫描采用非接触式的测量方式，具有快速、精确、多方位、“所见即所得”等特点，为古建筑提供了具有革命性的方法。三维激光影像扫描能够快速获取点密度和精度都非常高的建筑物点云数据，将所测量的对象进行1∶1的实景复制三维成型，由传统的实地野外手工测量转变为室内计算机对点云数据的高精度测量[3]。

全面的古建筑模型信息可以帮助研究人员更加深入地研究古建筑的结构、艺术价值、营造方法。在古建修缮工作中，进行准确、全面的现状测量是分析结构变形和绘制设计图纸的基础工作。扫描数据的高密度、可视化、三维数字化为测量以及修复提供了更加精确更加完善的依据。

3 三维扫描等数字化技术在古建筑保护中的运用策略

在目前互联网技术以及信息技术快速发展的背景下，对古建筑保护提供了有效方式，在古建筑相关资料的采集、存取、转化以及处理等层面上均可运用，为古建筑保护提供了一定的数据参考依据。在计算机的运用之下能够对损害的文物进行有效修复，在数字化技术的运用之下，建立对古建筑的一种新的保护方式。

3.1 运用三维激光扫描技术

在古建筑的保护过程中，工作人员可以运用三维激光扫描技术对古建筑的特征信息进行记录，以此促进古建筑的三维数据处理[4]。

在古建筑三维技术运用过程中可以采用全球定位系统、测量机器人、全站仪、近景拍摄测量等等现代技术，对古建筑的相关数据达到最大化地测量。在对古建筑的工作现场进行探查过程中采用三维激光扫描 技术，对其表面的各个数据点进行依次扫描与测量，依次得到精度较高的三维坐标点云数据。

将采集得到的各个数据点输入至电脑之中，即时存储，并据此构建古建筑实体三维模型。对其表面裂纹进行分析，判断激光往返折射的时间，采用现代化软件，对古建筑的相关信息进行记录。以此提升工作人员的工作效率，并为古建筑的文化保护与宣传提供数据参考。

3.2 对古建筑的三维空间采集

在古建筑三维数据处理的重要前提是三维空间数据的采集。四川乐山文庙建筑是四川省内具有重要价值的建筑，具有15 m梁高，殿内柱子较多，遮挡较为严重，扫描难度较大，在扫描过程中要求优化站点布置。建筑内具有较为复杂的柱础石雕等构件空间结构，要求使用具有较高精度的仪器。在对其进行三维数据扫描过程中运用 RTK 在建筑外部设置控制点，在建筑内部设置了全站仪，地面扫描中运用的主要仪器是Z + F IMAGER 5010C 高精度三维激光扫描仪，在数据采集过程中要求能够获取较为全面的三维空间数据，主要在柱子中间设置站点，要求相邻两个站点的数据重合率能够达到20%-30%。数据拼接靶标点可以选择磁性旋转靶标或纸质靶标，设置 4 ～5个靶标点，提升数据采集的精确性。靶标点三维坐标的测量上可以运用高精度全站仪。在建筑顶部数据获取层面上采用搭设脚手架方式，在对部分遮挡区域数据采集上运用手持式三维激光扫描仪。

4 古建筑数据处理过程

4.1 点云去噪

由于一些自然以及人文因素的存在，在三维激光扫描过程中存在着一些干扰噪音，例如人员走动以及树叶被风吹动的声音等，为了提升数据处理的精确性，减少数据冗余现象，要求对数据进行有效的去噪处理[5]。

可运用点云过滤算法等，在具体的运用过程中单纯采用某一算法往往难以达到有效的去噪效果，以此可以综合采用手动去噪方法，并运用 LaserControl软件的滤波功能。

4.2 数据拼接

在不同站点扫描数据的拼接方面可运用的方式进行，可在三维视图中找到一个相应的扫描站点的标靶，在有效识别之后建立对标靶三维坐标进行拼接处理。

在相关软件的运用之下，可将点云进行色彩化处理。以此实现有效的数据采集以及预处理，并将其进行有效存储，对古建筑建立仿真三维数据化档案。在档案中保存古建筑的三维空间以及纹理色彩。同时也可将其运用到古建筑的宣传展示以及修缮设计过程之中。

5 运用三维扫描技术进行数字化保护

5.1 构建三维模型

在对古建筑的保护、修复以及宣传展示过程中需要全面掌握古建筑的表面特征以及纹理信息。可利用三维扫描数据构建三维仿真模型，运用 ASCII 码格式在数据库中输入古建筑的点云数据。在人机交互作用之下剔除噪音点，并填补其漏洞，之后对数据进行平滑处理，构建三角格网。在拟合曲面以及栅格的构造之下生成三维模型。

5.2 辅助修缮设计

古建筑保护过程中的一项重要工作之一即是对其的修缮作业，具有大量的空间设计数据，具有较高的精度要求。在相关点、面、线数据的提取方面可运用三维激光点云数据，并结合古建筑的保护需求制作立面、平面以及剖面图件等。

6 结束语

在对古建筑的宣传保护方面激光扫描技术发挥着重要作用，能够实现对数据较为准确地记录，促进数据存档，同时也对古建筑的修缮提供了更多的数据支持方式，为其提供了有效的数据支撑，在信息获取上具有全面性以及无接触式的特征。在古建筑的保护以及修缮过程中可以对此充分利用。