三维激光扫描技术在古建筑修缮中的应用

■ 李紫璇 LI Zixuan 巩玉发 GONG Yufa

0 引言

自1930年中国营造学社成立之后，国内以梁思成先生为代表的建筑学家开始对中国现存的古建筑进行测绘和整理。1982年，我国出台了《中华共和国文物保护法》，随后一大批古建筑保护专家出版了大量历史建筑修缮方面的著作。

总体上，我国古建筑修缮领域一直坚持传统修缮方法的原则。明朝之前，建筑修缮的方法都掌握在专业匠工手里，匠户子孙不得转户，很多修缮手艺随着朝代的变更和家族的兴衰而失去传承。明崇祯年间的绵竹灵官楼在“5·12”汶川地震损毁后重建，从始建到即将完工用了8年时间，谁料到，耗费大量人力物力复原的古建筑又损毁于2017年的大火。建筑修缮技术落后和耗时问题得不到解决，这样的情况仍会再次发生。正视传统修缮技术的缺失并寻求创新和突破，研究遵守修缮原则并选择符合当前科技发展情况的新技术，是当前古建筑修缮技术创新的课题。

1 传统修缮技术概况

传统修缮技术选材严苛、工艺复杂、耗时耗力，且从业人员数量有限，多以师徒间口传心授的方式来获得延续，工匠们大多并不擅长用文字和图纸进行记录。历史上能够为我们提供完整的建筑修缮方法并流传下来的，只有宋代李诫所著的《营造法式》和清朝的《工程做法则例》，但本质上并不是建筑学专著，而是朝廷颁布的关于建筑的规范和制度，类似于今天政府颁布的建筑规范和建筑法规[1]。虽然近几十年我国古建筑修缮专家撰写了许多修缮技术方面的著作，将历史建筑按照木作、瓦石、泥漆几大类型修缮技术进行归纳总结[2]，但是要将理论研究应用到实际项目修缮中，单独依靠建筑师或工匠很难完成。互联网时代到来之前，对于需要修缮的古建筑，其前期的勘察测绘都通过人工完成。勘察阶段主要通过表面观察的方法；古建筑传统测绘大致分为草图勾画、尺寸测量、测稿整理、仪器草图绘制、总平面图测绘和计算机辅助制图[3]，测量工具大致分为手工测量工具（皮尺，垂球、细线）和测量仪器（测距仪、标线仪等）[4]。由于很多位于视觉盲区的隐蔽区域难以捕捉，且测绘所得的数据数目庞大，容易遗漏，时效过低，耗费了过多的人力物力。

古建筑修缮有着周期性，不同的修缮团队再次修缮之前都需要重新测量，数据细微的不同日积月累会造成巨大的隐患。由于技术手段的缺乏和得不到有效及时的修缮，一部分惨损严重甚至只剩遗址的古建筑直接使用现代的钢筋混凝土进行复原修缮，变成了仿古建筑，失去了其历史价值，情况不容乐观。

图1 崇教寺建筑及周围搭设的房屋

图2 三维扫描技术应用流程

图3 现存大成殿外部靶点标设

2 三维激光扫描技术

2.1 三维激光扫描技术的概念

所谓三维激光扫描技术，就是借助计算机和三维扫描仪获取物体表面每一个点的坐标、反射率等信息，根据庞大的点云数据信息快速构建出三维彩色模型，实现三维、高效、精准、非接触的测量，其中，三维激光扫描仪的精度可以达到微米，并且支持凹凸不平的建筑细部扫描。在历史建筑修缮前期测绘中，三维激光扫描技术有着突出的表现。

2.2 三维激光扫描技术的应用

2.2.1 项目概况

笔者进行实地调研测绘的崇教寺大成殿位于辽宁省营口市盖州市，有着两千多年的历史，曾是东北地区重要的通商口岸。现存的盖州古城建造于明朝洪武年间，崇教寺原址就坐落于盖州古城的西门口。明清时期，盖州人尊崇儒术，以道德之风教化世人，崇教寺成为当地文人儒生聚集的场所，被称为盖州的“孔子庙”。原址在清朝康熙年间重新修建，重建的崇教寺距今已有300多年的历史。

在对崇教寺前期考察调研中发现，现院内仅存大成殿、大成门及东配庑，在2014年被列为省级文物保护单位之前，曾作为民用建筑，先后用作游戏厅、台球厅、网吧等，古建筑残损严重。主殿大成殿周围搭建了许多房屋（图1），更换了门窗和地面，对宫殿外立面造成很大伤害；屋顶瓦件吻兽缺失、风化严重，杂草丛生；大殿台基湮灭，内部后檐柱糟朽，地面砖缺损且柱顶石淹没于地面。

2.2.2 修缮测绘中的应用

对于古建筑勘察测绘，若仅仅依靠传统人工记录数据、标尺测绘等手段，很难将建筑残损部分精确地表达出来，因此，对崇教寺大成殿进行的三维激光扫描测绘，流程如图2所示。

为了完整地扫描出大成殿建筑外部立面情况，在拆除周围搭设房屋的基础上，设立6个主要控制点，确保各个靶点相互补充和通透可视（图3）。标设站点能够满足测绘距离和所需精细程度的要求，站点形成的网络使大殿外部数据形成一个整体。

在实际测绘中，对大成殿内部进行靶点铺设时，为了保证转换精度，公共点采用特制的球形标靶和平面标靶，尽可能让每个扫描点形成最适宜的三角形或者多边形。由于大成殿内部结构复杂和现场采集条件等原因，采取分层多次扫描的方法，以获得更多的数据来构建模型。大成殿内部的站点标设如图4所示。所获得的原始点云数据，经过拼接、去噪、抽稀、精简、坐标转换等步骤，生成完整、精细的三维模型。

图4 大成殿内部站点标设(蓝色标注）

图5 大成殿西立面的剖切示意图

由于中国古建筑有着复杂的建筑结构和精细的建筑构件，每一栋古建筑存在的残损和形变也各不相同。在应对复杂结构和精细程度要求较高的古建筑修缮时，三维激光扫描就需要搭设外部脚手架来辅助测绘，根据建筑物的高度、数据所需的精细程度和现有的设备条件来选择靶点位置和剖切平面，将扫描获得的点云分析图和手工测绘图纸相结合，能够精确地分析出梁和柱当前的形变、收分和侧脚，再与历史资料进行对比，就能得到准确程度较高的现状图。如图5即为经三维激光扫描对比后得到的大成殿西立面的剖切示意图。除了在扫描过程中应用垂直剖切的方法来获得更加完整的数据，在将点云数据导入CAD等绘图软件之前，同样可以通过Cyclone 9.1 软件的 Cutplane 切片功能，分别对水平和垂直两个方向对点云数据进行切片处理，切片的薄厚和所需要的精度相关，直到能分辨出建筑的屋脊、檐口、窗槛的清晰轮廓和界限，为接下来的轮廓线描绘做好准备。

在崇教寺大成殿的实地调研中发现，由于四周搭设的房屋，古建筑表面墙体和檐口被破坏得最为严重，墙面的平整度和收分已经不能单纯依靠手工测绘完全表达出来。在三维激光扫描技术的帮助下，我们快速获取了古建筑墙面点云数据，依靠柱网轴线和点云所形成的参考平面，对墙体的收分和平整程度进行详细分析，再与实地调研的照片和测量数据图纸相结合，从而获得了大成殿墙体的现状（图6）。

三维扫描技术能够将建筑及文物的尺寸、材质、色彩、细微的纹理、残损表达出来，为之后的修缮设计提供了准确的数据信息。目前，国内已有很多古建筑将三维激光扫描应用到了前期测绘和三维建模上，例如颐和园大戏楼、佛香阁、故宫撷芳殿、洛阳安国寺大雄殿等；此外，古城村落遗址同样也可以运用三维扫描技术。

2.2.3 模型信息存档中的应用

除了在修缮前期测绘中的应用以外，三维扫描技术在古建筑修缮模型构建和信息表达同样具有实效性，通过扫描的点云数据构建的计算机模型，能够实现古建筑修缮信息的保存、延续和传播，结合3D MAX或Revit等软件，对古建筑文物的历史和现状信息进行数字化存档,完成生物学中“遗产生命周期”这一过程。古建筑的历史价值、精神和物质价值都能在完整精准的信息模型中得到体现，其转化过程如图7所示。

图6 大成殿北立面墙体现状剖面图

图7 点云生成模型过程[5]

图8 系统扫描原理坐标图

3 三维激光扫描技术应用中存在的问题

在应用新技术之前，有一点需要明确：古建筑的设计、修缮、复原从来都不是技术和数据的堆砌，它有着更多人文和艺术的内涵。传统勘察测绘除了对数据进行测量以外，更多的是通过人的视觉、触觉来感知建筑，所有心得体会都会在之后古建筑修缮设计中得到体现，这是软件模型信息所不能提供的。三维激光扫描技术的应用，同样存在以下问题。

（1）根据三维激光扫描系统的扫描原理，原始数据主要包括反射镜在水平方向的旋转角度α、在竖直方向的旋转角度θ和激光反射扫描点到仪器坐标中心的距离S，系统扫描原理坐标图如图8所示。由于外部条件的变化和仪器的缺陷会造成不同程度的系统误差和偶然误差，测量所获得的数据存在大量游离的点云，虽然可以通过去噪步骤减少误差的影响，但仍会对接下来的三维模型生成造成很大的障碍（特别是在古建筑模型精度要求较高的情况下）。因此，靶点的标设并非是固定的。由于崇教寺大成殿内部存在券门封堵、窗扇槛框缺失、柱顶石淹没于地面等问题，根据实际需要，我们改变了测站仪器的架设位置，在不同角度多次观测（图9），将多角度多次测量所获得的数据进行交叉对比，快速地消除掉随机性很强的游离点云数据；此外，对于一部分仪器的缺陷造成的系统误差，其分布方式大致符合高斯正态分布，可以根据公式来选取数据的平均值抵消或减弱误差带来的影响。

（2）虽然最先进的三维激光扫描技术精度能够达到微米，通过Geomagic、Polyworx等工程软件可以生成高精度的NERBUS模型，但这种方式需要的点云数据异常庞大，建模时间很长，不能满足当前一些古建筑保护工程的工期要求；而若将点云数据导入Microstation、Auto CAD等软件中，虽然数据量较小，建模时间也很短，但要是古建筑本身残损严重，如焚毁、仅存遗址或拥有过于复杂的构件和衍生模型等，就很难通过三维激光扫描技术获取完整数据，需要通过其他测绘手段和方法进行补充。在崇教寺大成殿的前期调研中发现，檐口、屋脊、雀替和窗扇都已缺失，周围搭建的房屋遮挡了大面积的建筑外立面，无法进行点云数据的采集。笔者在查找了大成殿历史资料，并调研盖州市周边相同年代建筑后，决定应用清代重建时的营造法式[5]来填补和复原大成殿图纸缺失的部分（图10）；对于构件复杂的纹理和色彩，则采用数码相机采集的传统方式，在模型中进行贴图处理，弥补点云数据的不足。

被称为360°实景复制技术的三维激光扫描技术，除了能够主动实现非接触、快速高效的实时测绘，也为修缮前期提升了更多的工作效率，技术所需操作人员少，确保了修缮人员的人身安全。相比较没有数据和坐标系作为依托的古建筑照片，这项新兴技术最突出的优势在于对于信息数据的采集、筛选、整理和转化，能够精准地将扫描所获得的原始坐标点云转化成三维模型，是建筑遗产“全生命周期”管理中最基础的一环。种种技术优势让研究者看到了这项技术在古建筑修缮领域更多的可能，但针对三维激光扫描技术在应用中出现的问题，同样需要我们用传统的测绘方法进行优势互补。因此，在对需要修缮的古建筑场地进行实地勘测和分析之后，将三维激光扫描技术和传统测绘技术相结合，可以有效地缩短修缮工期和节省修缮预算，更加快速地获得古建筑信息模型，为接下来的复原工作打下良好的基础。

图9 大成殿内部增设靶点（红色标注）

图10 大成殿历史照片和清代窗槛营造法式

4 结语

新兴技术随着科技的进步逐渐完善，三维激光扫描技术具有三维的、高精度、高效率、节省人力物力资源等突出特点，不仅在文物修复中有突出表现[6]，在实际项目的调研测绘和修缮中，相对于传统测绘和修缮技术更具有优势。在遵循修缮原则和传承传统测绘修缮技术的基础上，将新技术合理地应用到历史建筑修缮技术流程中，弥补传统修缮方式的不足，使新旧技术优势互补，以更高的效率和更高的质量为当前急需修缮和保护的历史建筑提供有力的技术保证。