基于3D扫描的传统木建筑保护技术应用

杜雨芙 林铓

（吉林建筑大学 吉林 长春 130000）

引言

中国是一个历史悠久的农业大国，与之相辅相成的是人们赖以生存的传统木建筑，它们是中华民族文化瑰宝中不可缺少的重要内容。虽然木建筑有很多优势，但是也存在着一些不可避免的缺陷，承受着大自然的各种侵害，防火性能差，有蛀虫以及霉烂的威胁，对比欧洲国家的砖石建筑，耐久性差，这就对我国传统木建筑保护有更高的要求。近几年，对传统木建筑保护正向着以数字化保护为代表的研究性/预防性保护方向发展，这就给传统木建筑信息的采集/处理/存储和传输以及可视化等多方面提出了更高的要求。

1 3D数字化信息模型的建立

大多传统木建筑具有独特的建筑形式，3D扫描技术能够深入复杂的传统木建筑中，迅速测量建筑及其细部数据点，提供更加精确的三维坐标数据[]。

由于传统木建筑的特殊做法，从不同视角扫描往往存在严重的遮挡，在测量之前需要进行现场勘查，制定测量方案。然后布设控制网，开展扫描工作。在扫描过程中，应对各扫描站点/控制点进行位置图的记录和绘制，并对扫描数据进行实时查看，若发现数据有遗漏或有明显错误，及时对缺失部分或细节不够清晰的部分进行补测，还原缺失或不清晰的部位。

对传统木建筑的数据进行预处理，一般需要对原数据进行再加工，检查数据的完整性及一致性，预处理主要包括对三维物体的表面几何数据配准/去噪/滤波以及拼接等，把经过预处理后的数据点重新进行模型的建立[1]。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，非常适合传统木建筑现状的图纸记录。

BIM以整理完成的传统木建筑表面模型为依据，对传统木建筑的木墙/门/屋脊/中柱等建筑物主体构件进行参数化实体模型建立，满足传统木建筑数字化保护的存档/数据库建立/图纸输出/多部门协同/保护修缮等需求[]。

2 3D数字化模型在传统木建筑保护方面的应用

2.1 采集和存储传统木建筑信息

在传统木建筑保护过程中，3D扫描技术在采集/存储传统木建筑信息中发挥着重要作用，将建筑3D几何信息以数字形式进行保存。在形成传统木建筑点云模型后，在存储过程中针对建筑结构/木构件做法/木材年代/维护修缮等数据信息进行归类，自动检索/管理/展示更多的传统木建筑信息。点云模型作为高度还原了传统木建筑真实信息，支持多重数据转换，平台适应性强，可操作性强。通过多个制图软件建立传统木建筑的多维信息，包括周边环境/使用现状/历史演变等。

2.2 传统木建筑模型的立体展示应用

在以高精度数据为基础所建立的3D传统木建筑模型中，可以选择任意观看及互动方式，利用多种手势调整观察的位置以及视线的方向，并且可进行搭建过程及隐蔽工程的浏览，摆脱了以往利用二维图纸解读信息的片面性，对传统木建筑的内部结构特征也能很准确地解读，高精度的扫描对建筑细部/建筑色彩信息也能更直观地进行记录浏览。此外，还可以将VR等技术引入传统木建筑数字化保护中，以点云数据模型为基础进行立体展示[3]。

2.3 传统木建筑安全的信息监测

中国传统木建筑历史久远，受自然环境及人为因素的影响，大部分建筑存在受潮糟朽/变形干裂和建筑部件缺失等病害，这些都是传统木建筑维护修复的重点。3D扫描得到的点云数据精度高，通过提取不同时期三维点云数据变形结果进行对比分析，可用于发现传统木建筑的木墙/中柱/屋脊等部位出现的倾斜/扭转/变形等变化[]。其中，现状分析主要包括：整体结构现状分析/墙壁现状分析/整体周期性形变分析。

2.3.1 整体结构现状分析

利用柱顶和柱底点云数据横剖面图来拟合柱顶和柱底平面图，并根据二者中心点可计算出建筑各柱高度/柱子收分/升起与侧脚，可根据与传统测绘和史料记载作比较，最终可得出传统木建筑各柱子现状具体数据。

2.3.2 墙壁现状分析

对建筑墙面的平整度和收分作进一步的分析，检测建筑墙面空鼓面积和区域，以往这种问题只能通过肉眼观察来确定，而采用3D扫描技术来检测可达到毫米级至亚毫米精度。对墙体收分的分析选择柱网轴线位置做出垂直参照平面，通过分析确定建筑墙面有无收分。对于墙面的平整度，则是通过点云拟合出一个参照平面，对其凸凹情况进行了解。

2.3.3 整体周期性形变分析

将传统木建筑做到全方位/全周期的数据采集，实时对传统木建筑进行整体变形监测，预防重大事故发生。通过对传统木建筑采集大量的数据进行整理，得到传统木建筑整体变形的原因，从而对离散点变形监测和倾斜分析的部位作出预测，形成长效的传统木建筑保护机制，弥补传统变形监测的单点性和短期性。

2.4 基于点云数据的传统木建筑虚拟修复

3D数字模型可提供从建筑整体到木构件的数据信息，为传统木建筑的虚拟修复提供了前提。利用3D扫描得到的点云数据，首先进行传统木建筑及周边环境的场景塑造，建立传统木建筑虚拟修复系统，对残损和病害的部分进行虚拟修复，可以对修复方案进行反复推敲，避免了因盲目修复对传统木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。

3 结语

3D扫描技术给传统木建筑测绘领域提供了新的发展方向，本文简要地介绍了3D数字化模型的建立过程，结合传统木建筑特点探索了3D扫描点云数据在数字化保护方面的应用。由于我国传统木建筑的种类繁多，特色鲜明，具体的3D扫描技术在传统木建筑的保护中还没有得到有效的普及应用，发展推广还需要各地方的传统木建筑工作者更加积极的实施使用，共建传统木建筑数据信息库，交流宝贵经验，共同进行探索与实践，充分发挥3D扫描技术的价值。