三维激光扫描技术在文物建筑测绘中的应用研究——以成都杜甫草堂工部祠为例

文／方 舟 四川大学建筑与环境学院 实验师 硕 士

廖一联 四川音乐学院成都美术学院 讲 师 硕 士

王昊舒 四川大学建筑与环境学院 实验师 硕 士（通讯作者）

引言

在对文物建筑的保护中，无论是进行维护修缮还是科学研究，无论是开展文化交流还是宣传展示，其中一个重要而基础的环节就是全面获取它的真实信息并测绘成图[1-3]。在传统的古建筑测绘中，获取构建几何信息的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，外业工作的成果是手绘图纸和一些文字记录，很难精确地记录古建筑的尺寸和现状信息[4]，在后续制图工作中涉及复杂建筑空间的组合、复杂建筑细节的再现时极易出现错误与遗漏。三维激光扫描技术作为现实捕捉技术的一种类型，在采集对象形态数据和材质信息过程中具备高精度、无接触、全方位等优势[5]，非常适合应用于文物建筑的扫描测绘。文章以全国重点文物保护单位——成都杜甫草堂工部祠三维激光扫描项目为例，介绍项目的全过程，对关键技术环节进行详细说明与经验总结，并对该技术当前的技术优势、痛点与前景展开分析与讨论，以期能对相关研究及实践提供参考。

1 项目前期准备

1.1 制定工作方案

在文物建筑的三维激光扫描项目中，工作方案因为扫描对象和项目需求的不同会有比较大的区别，须合理、灵活地进行方案设计。首先，在开展三维激光扫描之前，必须进行现场踏勘，对研究目标的总体情况、建筑和构件的材质及色彩属性、实际应用中对数据的需求进行总体把握[6,7]。现场踏勘完成工作方案制定以后开始数据采集，操作时须按方案有序进行，做好各步骤的文字记录，最好还能同时采集图像以供后续工作时参考。扫描数据最好能在现场进行初步导出与检查，便于及时补测采集效果不佳或遗漏的部分。而进一步的数据处理和数据应用工作则可离开现场以内业方式进行。本次扫描工作方案如表1 所示。

表1 扫描工作方案（表格来源：作者自绘）

1.2 扫描设备与数据处理软件

本次项目位于市区，交通条件、环境条件良好，仪器的搬运与架站都比较方便，同时项目对扫描精度还有一定要求。综合这些因素，本次项目选用徕卡P16 三维激光扫描仪，以及配套的徕卡Cyclone 点云处理软件。

徕卡P16 三维激光扫描仪扫描速率高达1 000 000 点/秒，最大扫描范围80m，精度0.5mm@50m；用1550nm 激光，提高了峰值功率，对于深色或高反射物体的扫描更加精确；具备HDR 图像技术，内置相机可快速获取与人眼视觉效果相近的图片，方便点云处理及纹理贴图。徕卡Cyclone 点云后处理软件可支持海量点云数据处理，对点云进行拼接、建模、分析和各种量测十分方便，与业内其他点云处理软件相比最大优点是运行流畅、稳定。

1.3 人员配置

本次项目虽场地条件好，无须安排人力对现场堆积物、遮挡物等进行清理，但由于是4A 级旅游景区，现场人流量大，所以还是安排了一名主操作人员和两名助手，共计外业人员三人，助手除在扫描换站时协助搬运仪器和调平外，还承担了在仪器运转时劝导游客不要围观、维持现场秩序的任务。

2 扫描参数设置

在进行外业数据采集的过程中，核心技术环节是对每一站扫描进行合理的参数设置。设置项目主要包括扫描精度设置、扫描模式设置、扫描范围角度设置与扫描站位确定等，设置时需要综合考虑项目需求、扫描对象特征、外业工作条件等因素。设置完成、开始扫描后，仪器即自动进行本站扫描作业，期间无须人力介入。

2.1 扫描精度设置

扫描精度是指扫描的精细程度，也称之为扫描分辨率。徕卡P16 三维激光扫描仪共有50mm@10m、25mm@10m、12.5mm@10m、6.3mm@10m、3.1mm@10m、1.6mm@10m、0.8mm@10m 七阶精度设置，在扫描范围角都为360°的情况下，其所耗费时间分别为23 秒、35秒、1 分5 秒、2 分42 秒、5 分21 秒、21 分17 秒、1 小时25 分2 秒，精度与耗时关系如图1 所示。

图1 P16 扫描精度与耗时关系表（范围角360°）（图片来源：作者自绘）

当精度设置高于常规精度3.1mm@10m 后，扫描所需时间大幅升高。理论上，越高的精度设置会带来越密集、越详细、越贴近实际情况的点云数据，但在外业工作中，越高的精度设置还意味着更高的时间成本和人力成本投入，并且由于高精度扫描得到的点云数据量极为庞大，会导致后续内业工作时间大幅加长，对计算机的性能要求也大幅提高，所以一味追求高精度设置是不合理、不明智的，需要结合项目的实际需求来合理安排。

2.2 扫描模式设置

徕卡P16 三维激光扫描仪具备HDR 图像采集功能，能够采集扫描目标的高清、高色彩还原度图像作为参考，自动对所获点云数据的每一个点进行“着色”，从而得到一个极为逼真还原的三维点云模型，在正常缩放比例下用肉眼观察几乎与实景无异。这一功能为后期点云数据拼接与应用，以及扫描成果展示带来极大的便利与更多的可能性。但由于HDR 图像采集与激光扫描是独立的两个过程，仪器会在激光扫描作业完成后开始HDR 图像采集作业，所以在开启HDR 模式时，扫描仪完成一站扫描任务的时间包含了激光与HDR 两部分。本次项目须采用HDR 模式工作，故预计工作时间时需要把两部分时间都考虑进去。

2.3 扫描范围角度设置

徕卡P16 三维激光扫描仪可在扫描时设置各站的扫描范围角度，一般情况下为了将扫描主体与周边环境一次性扫描下来，会将参数设置为360°（环形扫描）。在个别情况下，如补充扫描时，可根据需求设置一个适合的扫描范围角。扫描范围角度设置越大，扫描时间会同比增加。

2.4 扫描设站

扫描站位设置十分重要，直接影响到数据的质量、后期处理难易程度以及外业、内业工作的效率。对于一个单体建筑，设四站即可将其外观基本扫描完成，但一般会结合建筑的形态、高度与细节丰富程度，考虑增加设站数。但是与精度设置类似，虽然理论上越多的站位会带来越详细、越完整、越无死角的点云模型，但考虑到工作效率与成本，同样需要结合项目需求来合理安排设站。

3 具体操作及讨论

在本次项目中，针对建筑进行了两轮扫描，一次为常规精度扫描、一次为高精度扫描，其目的是综合比较完成两次扫描所花费的时间成本、人力成本，以及数据成果，得出更适合该项目的扫描参数设置方案，为日后的同类型项目提供参考。

3.1 外业工作

扫描对象是一座单体建筑，形态上除正立面的檐廊外基本没有更多的凹凸进退，但有坡屋顶和较为丰富的细节，所以在距离建筑较近的四角站位基础上还增加了三个较远的站位，目的是为了减小仰角，让激光束能打到坡屋面上，获取尽可能多的屋面和屋脊细节。室内为单一空间，屋顶底面也无吊顶遮挡，原本只需设置2 ～3 站即可，但考虑到建筑的窗格、佛龛、屋顶底面等有较为丰富的装饰与构造细节，设置了呈2 横3 纵布局的6 站，以获取更详细的数据。工部祠扫描项目共设13 站，站位图如图2 所示。

图2 站位图（图片来源：作者自绘）

由于工部祠建筑体量不大，本次扫描采用了P16 扫描仪的无标靶扫描功能，扫描时无须预先放置球形或平面标靶，只要确保各站间有公共扫描区域存在，即可在Cyclone 软件中进行无标靶点云自动拼接，一定程度上降低了外业工作的时间和人力成本。

常规精度轮扫描参数设置为精度3.1mm@10m、HDR 开启、范围角度360°，单站平均耗时16 分钟，共设13 站，总耗时约4 小时。高精度轮扫描参数设置为精度1.6mm@10m、HDR 开启、范围角度360°，单站平均耗时33分钟，供设7 站，只在第一轮设站的点位1、2、5、8、9、12、13 处设站，总耗时4.5 小时，两轮扫描的参数设置如表2 所统计。

表2 两次扫描参数设置与耗时统计（表格来源：作者自绘）

3.2 内业工作

外业阶段完成后，转到内业阶段继续工作。首先要将各站点云数据导入Cyclone 软件拼接，得到初步的模型。随后需要对模型进行去噪点处理，在三维激光扫描过程中，由于自然和人为因素的影响，会产生一些干扰的“噪音点”，如建筑周围的树木、人员移动等[8]。这些噪点目前更多地依赖人工来甄别并从模型中删去，最终的三维点云模型如图3 所示。拼接后的常规精度点云模型大小为26.9GB，处理耗时30min；高精度点云模型大小33GB，处理耗时1.5h，模型数据如表3 所统计。

图3 拼接、去噪后的点云模型（图片来源：作者自绘）

表3 两次扫描点云数据统计（表格来源：作者自绘）

利用Cyclone 强大便利的点云数据处理与切片能力，导出平面图、纵横两个方向的剖面图、四个朝向的立面图以及屋顶平面图作为参照，完成建筑的CAD 制图（图4）。同时导出剖面、平面方向上的剖透视图作为技术成果展示所需的素材。

图4 点云切片与CAD 测绘图（图片来源：作者自绘）

3.3 结论

前文提到，扫描项目的外业作业时间由扫描精度设置、是否采用HDR 图像采集模式、扫描范围角度设置、设站数量四方面共同决定。

（1）在CAD 制图过程中发现，常规精度扫描（3.1mm@10m）获得的模型切片已足够作为建筑平、立、剖面图的制图参照，仅在作细部构件的大样图时，使用更高精度（1.6mm@10m）的点云切片能方便制图者更快地区分出构件的凹凸面和阴阳面、提高工作效率，绘制不规则线条时的参照点也更多，线条与实际情况的拟合程度更高，故最合理的精度设置方案是常规精度扫描为主，按需对有精确表达需求的位置进行适度高精度扫描。

（2）由图1 可知，两站常规精度扫描（3.1mm@10m）所耗时间与一站高精度扫描（1.6mm@10m）相近，故在本项目以及类似文物建筑测绘的项目中、在花费同样时间成本的前提下，宜选择进行更多站的常规精度扫描，这样可获得更多可互补的点云数据，拼接后的点云模型死角更少更完整，事实上会更有利于后续制图。

（3）高精度点云数据的处理对计算机性能的要求很高，本次高精度轮的扫描站数少于常规精度轮，除了外业时间与人力成本的考量，还有对计算机性能的考量。事实上，在拼接好一半站位的点云数据时，计算机的压力已经相当大了。为避免获得了点云数据却无法使用的尴尬，扫描作业时还需要考虑所用计算机的处理能力。

4 技术优势与痛点总结

4.1 优势总结

（1）精度极高，与卷尺、垂球、激光测距仪打点动辄10cm 以上误差的传统方式相比，三维激光扫描技术将数据精度提高了不止一个级别。

（2）三维激光扫描技术被归为一类现实捕捉技术，它从原理上杜绝了测绘错误的发生，使本身极为考验专业能力的内业制图作业变得像“依葫芦画瓢”那么简单。

（3）工作效率高，无接触作业，对工作人员和文物建筑本身的安全都有利。

（4）降低从业人员门槛，外业部分工作只要懂得仪器操作即可完成；内业部分工作已不再是必须要非常熟悉中国古建筑才能做，但仍需具备一定建筑学专业知识。

（5）三维激光扫描技术将文物建筑信息化、数字化，纳入到建筑信息技术的框架下，打开了与BIM（建筑信息模型）、VR（虚拟现实）、AR（增强现实）等技术结合的通道，未来能够衍生出更多样的课题与更丰富的成果。

4.2 痛点总结

虽说三维激光扫描技术有着发动行业革命级别的技术优势，但一些技术痛点也确实存在，客观上减缓了它推广的脚步。

（1）扫描设备和配套软件、能够运行软件的计算机系统都比较昂贵，基层文保单位购置自用不太现实。目前将扫描这部分工作外包给专营测绘的单位是一种折衷的方式，但可能短期内存在需求与供应相互协调磨合的问题。

（2）对扫描对象的环境有一定的要求，如现场需要有足够的空间来架设仪器；雨雪云雾天气会对扫描结果造成不利影响；现场人流、植物会遮挡激光束，产生很多噪点，影响扫描结果。

（3）对于高度较高的文物建筑，由于仪器有扫描距离限制，在扫描建筑较高标高处时需要将仪器送到相应高度，同时固定调平后才能执行扫描作业，有时这是难以实现的；对于建筑内外有结构遮挡的位置，除非拆除现有结构否则无法对其所遮挡的部位进行扫描，但文物建筑的任何部分都是不可能说拆就拆的。

结语

本文介绍了应用三维激光扫描技术对成都杜甫草堂工部祠建筑进行测绘的过程，验证了这一技术路线的可行性，并通过关键技术环节的实践操作与对比分析，讨论了适合该项目及类似项目的技术方案，最后总结了该技术在文物建筑测绘工作中的优势与痛点。相信随着三维激光扫描技术的进一步发展，其技术优势会更明显，其成本会调整至一个合适的范围，一些影响应用的技术痛点最终会得到解决。