三维激光扫描技术在文物建筑测绘中的应用探讨

付崇仑

摘  要：通常文物建筑都具有较高的研究价值，可以对建筑发展史的研究工作起到重要影响，因此做好文物建筑保护工作具有非常重要的意义。目前，在文物建筑保护工作中常采用三维激光扫描技术对文物建筑进行测绘，为了让三维激光扫描技术在文物建筑测绘中得到更好的应用，本文对相关的概念进行了介绍，分析了三维激光扫描技术的原理、特点及其在文物建筑考古工作中的应用。

关键词：文物建筑   三维扫描 技术   考古   3D模型

中图分类号：P234       文献标识码：A

Abstract： Generally， cultural heritage buildings have high research value and can play an important role in the research of architectural history， so it is of great significance to do a good job in the protection of cultural heritage buildings. Currently working in the protection of cultural relics architecture in this 3D laser scanning technology to surveying and mapping of cultural relic buildings， in order to make 3D laser scanning technology to get better application in the building of surveying and mapping of cultural relics， this paper introduces the related concepts， analyzes the principles and characteristics of 3D laser scanning technology and its application in archaeological work a historical building.

Key Words： Cultural relics architecture; 3D scanning; Technology; Archaeological; The 3D model

我國历史悠久，经过几千年的历史变革，遗留下许多的文物建筑，而这些文物建筑都凝结了古人的智慧，也从不同角度反映了不同历史时期人类的社会活动与文化，因此做好文物建筑的保护工作非常重要。目前，文物建筑的保护工作中三维激光扫描技术使用非常广泛，能够保证建筑的完整性，提高数据的准确性，以其快速、非接触、高密度、数字化的优势满足了文物建筑保护的测绘需求，能够更加真实地还原文物建筑的真实面貌。

1文物建筑及测绘技术概述

1.1文物建筑

所谓文物建筑其实就是在历史的长河中遗留下来的一些古代建筑，这些古代建筑既有民用建筑也有公共建筑，都具有一定的历史意义，其中蕴含了我国传统文化的特质，对这些建筑进行研究，可以从中汲取营养，让我国古代建筑文化得以传承与发扬。我国对于这些文物建筑的测绘工作非常重视，通过测绘为文物建立专门的数据档案，为以后的文物保护、维护维修、评估等工作提供详实的资料，这也是做好文物保护的前提条件[1]。

1.2文物建筑测绘分类

针对文物建筑所采取的测绘技术，应当以保护建筑完整性为前提，测绘过程不能对文物造成破坏。现阶段针对文物建筑测绘一般分为两种类型：精密式测绘和法式测绘。精密式测绘主要是使用先进的测绘仪器，这种方法获得的数据更加精确，对于文物本身更不会造成破坏，目前使用最多是三维激光扫描技术。法式测绘技术是相对于精密测绘技术而言的，是采用人力测量的方法，其简单易行，但是比较耗费人力、物力，获得数据的精确度较差，目前这种测绘方式常用于文物建档。

1.3文物建筑测绘中用到的方法

随着科技的发展，一些新的测绘技术被用于文物建筑测绘中，弥补了传统的手工测绘的不足。一是全站仪测量技术。全站仪是一种精密的测量仪器，将光、机、电等技术集于一身，测量过程中操作比较简单，测量精准度高，只需要安置一次仪器就可以完成所有的测量工作。二是建筑摄影测量技术。是对文物建筑进行近距离的摄取立体像对，要求测量距离在300 m内，对于一些古迹遗址的发掘和古代建筑的复制具有非常重要的作用。三是三维激光扫描技术。它可以称为测绘领域的一次技术革命，集机、光、电等技术于一身，突破了单点测量的局限性，使测量精度、工作效率都发生了质的飞跃，可以为文物建筑的修缮与保护提供更加精准的数据资料[2]。

1.4三维激光扫描技术基本原理

近些年，三维激光扫描技术的应用范围越来越广阔，对于考古工作也起到了很大的促进作用。三维激光扫描仪可以看作是高速运行的全站仪系统，按照预设的步进距进行扫描，在步进扫描的同时利用激光测距技术进行测距，根据接收到的回光强度对经过扫描的各个点进行明暗处理，图1为三维激光扫描技术基本原理示意图。在扫描过程中可以使用CCD相机，便于采集古建筑的色彩与形状的相关信息，在扫描完成后可以更加真实地还原古建筑的本来色彩。三维激光扫描技术优势在于能够密集地大量获取古建筑的数据点信息，由单点测量突破到面测量，在测绘领域中具有革命性的意义[3]。

2三维激光扫描技术在文物建筑中的应用

运用三维激光扫描技术主要为了获取文物建筑的各项数据，然后使用专业绘图软件完成三维数字建档，为后续文物建筑的维修、保护提供数据资料，以作为参考，在整个过程中必须做好数据的精度控制[4]，图2为古建筑建档扫描流程图。

2.1外业数据采集

三维激光扫描的外业操作流程如图3所示。

扫描前先对需要进行扫描的文物建筑进行现场勘察，确定周围是否存在遮挡的障碍物，确定文物建筑的结构类型、体量等。按照测量的精度要求确定适合的扫描仪器，不同型号的扫描仪其距离精度、角度精度、分辨率、反射率等技术指标也不相同，选择时应考虑文物的体量、结构复杂程度和场地限制等因素。按照测量要求制定扫描路线、确定测站点的数量与位置、标靶数量与位置，为了完整地表达被测物体，需要通过多个角度、多方位进行多次扫描。

在扫描过程中如果需要使用辅助设备，对于辅助设备的布站也要进行设计。我国古代建筑空间体量一般不太大，但是空间结构较复杂，在扫描的时候往往会受到各种复杂结构的影响，比如：重叠穿插的梁架结构，还有各种层叠不一的柱、斗、拱、枋、椽、檩等，都是影响扫描工作的重要因素。因此，在制订扫描方案时，需要重点控制网及细部测量，在布设测点时应以高覆盖率、保证数据的完整性为目标。在室内布设测点时优先选择遮挡面连线中点，这样可以做好均匀点云分布，保证出图的整体效果。在实践中，笔者认为采用对角柱网连线的方式，在对角交叉位置设测点，能够提高小空间区域内扫描的覆盖率，可大幅度提高扫描质量。在测量过程中必须好对点位的控制，保证误差在规定的范围之内，可以使用全站仪测量相关点位的数据，将测量的数据与三维激光扫描的结果进行比较验证。

2.2内业数据处理

将外业中采集到的数据导入内业数据处理系统，然后完成对数据的拼接、去噪、数据统一等工作。按照数据采集的顺序，利用Cyclone 软件的Register 模块对点云数据进行处理，完成各个测站据的拼接，应注意起始测点的位置与结束测点的位置偏差不可太大，需要控制在6 mm内，否则会影响到后期建模的准确性[5]。去噪是为了去除系统中没有价值的测点数据，利用Cyclone 软件打开刚才完成拼接的站点云总图，在调整到适合的位置后利用系统中的专用工具逐一去除多余的噪点。最后对点云中的冗余数据进行统一处理，完成对多个测点云数据的整合。

2.3纹理映射

经过三维激光扫描仪采到的点云数据是黑白色的，那么因此建立的三维数据模型也是黑白色的。为了能够更好地呈现文物建筑本来的色彩，需要使用高清相机进行拍摄，获取到高清彩色相片。然后再选择适合的纹理对图片进行处理，重点把握透视的效果、纹理的细节等，去掉图片中的遮挡杂色。使用系统中的3Dmax 软件完成纹理映射工作，当所有操作完成后就会生成文物建筑的彩色三维模型[6]。

2.4 模型优化

目前针对模型的优化常采用多边形优化法，通过该方法可以在保证模型精度的情况下对多边形进行简化和优化处理，同时还可以提高计算机处理模型数据的效率，加快处理的速度。利用三角形网格模型顶点曲率快速匹配图形特征，保证了文物建筑模型的完整性与清晰度。

2.5影像校色

在对三维模型进行纹理映射前，为了保证模型的色彩度，需要对纹理数据进行调色处理。在纹理映射中要保证纹理间的色调统一，如果存在色差，那么映射过程中，每使用一张影像，就需要重新建立一个图层，不仅耗费大量时间，还会影响到三维模型的精度。

2.6绘图

一般绘图工作由Auto CAD软件来完成。在软件中根据绘图需要，在点云模型中裁切出建筑的正立面、侧立面、俯视平面、横剖面、纵剖面等几个部分对应的点云，再将点云大小、点云细节、透明度等参数调整合适，即可绘制出所需信息。

3结语

文物建筑具有较高的历史价值和艺术价值，其中包含了建筑的地域性、民族性的特征，对于研究与传承我国传统建筑文化意义重大。因此，针对古代文物建筑开展维护修缮工作是当前一项重要任务。本文结合个人工作实践对三维激光扫描技术在文物建筑中的运用情况进行了系统性的分析，提出了测绘工作中需要重点控制的环节，为相关工作人员做好文物建筑测量工作提供技术参考。

参考文献

[1] 罗洪军，尹国友.三维激光扫描技术在建筑测绘中的应用[J].测绘与空间地理信息，2021，44（1）：193-195.

[2] 杨振威.三维激光扫描技术在歇山古建筑信息模型建立中的应用研究[J].中原文物，2020（6）：137-141

[3] 蔡銳.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].技术与市场， 2020，27（11）：89，91.

[4] 刘科.基于古建筑保护修缮需求的三维激光几何信息采集应用研究[D].北京：北京工业大学，2019.

[5] 张维强.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].兰州：兰州交通大学，2018.

[6] 狄海宁.浅谈古建筑保护中的数字化技术[J].文物鉴定与鉴赏，2018（3）：130-132.