历史建筑的数字化保存研究*——以浙江金华兰溪市竹林彝伦堂为例

邓虹 吴宁 许若奇

衢州学院 浙江 衢州 324000

引言

历史建筑的数字化保存，又称实景复制，其具有非接触式、高效率和高精度的特点[1-2]。在历史文化遗产的数字化保存方面，鉴于历史建筑的不可再生性，历史建筑数字化存档已成为当下古建筑保护领域的研究热点。因此，本研究以浙江省金华兰溪市竹林彝伦堂历史建筑为例，结合本案的复杂建筑环境，运用三维激光扫描技术采集该建筑的点云数据，探讨历史建筑的点云数据采集和处理，并对其数字化保存方式进行研究和实践。

1 数字化保存技术

数字化保存技术是基于相位式测距原理，通过三维激光扫描仪，实现每秒百万激光点照射，再由均匀旋转的反射棱镜将激光脉冲信号引导至物体表面点，信号经物体表面反射后由接收器接收，通过测定信号的传播时间，计算测点与扫描仪的距离S，同时角度编码器同步计算确立目标点xyz三维坐标值，实现目标物的高分辨率数字影像和纹理照片采集[3]。

选定三维激光扫描仪的架设站点，对目标进行分点扫描，各站点汇聚的海量采样点的集合，称为“点云”[4]。海量点云数据组成清晰的三维模型，该模型反映了目标物最原始的面貌，有助于提取目标的构造线、面、体和空间位置等关键参数，将现状高度还原，可用于历史建筑维护改造和建筑图绘制。

2 历史建筑的数字化保存

本次历史建筑数字化保存实践研究，采用德国Z+F三维激光扫描仪和大疆无人机，将历史建筑的各个细节以及周边环境高度还原。配套相应的Z+F软件系统，可达到数据处理高效率、数据采集高精度、成果应用多样化的效果。历史建筑的数字化保存可分为以下四个步骤。

2.1 三维激光扫描仪和无人机外业准备

Z+F三维扫描仪一台、无人机一台、平板电脑（或手机）一台、笔记本电脑一台，外业人员到现场勘探，布置扫描站点。每个站点之间扫描范围必须要相互叠加，且站点数不宜过多。无人机用于建筑第五立面和细部构件的扫描。

2.2 三维点云数据采集

在采集历史建筑物正立面时，采用左、中、右3个方位设站扫描采集数据，方便后期点云拼接。

2.3 三维点云数据处理

通过Z+F专业软件，拼接还原整个建筑模型，流程分为导入测站数据、数据预处理、数据拼接、去噪和点云数据导出。

2.4 历史建筑图纸绘制

将点云数据导入Auto-CADReCap，创建点云投影文件，对建筑模型进行切割，露出结构和空间，便于建筑图纸的绘制。

3 浙江金华兰溪市竹林彝伦堂的数字化保存

3.1 竹林彝伦堂的现状情况

竹林彝伦堂位于浙江金华兰溪市竹林村，为清代遗存，占地约266.5m2。2018年竹林彝伦堂被公布为兰溪第二批重点历史保护建筑。该建筑坐北朝南，两进四天井，传统木构承重，主次入口设置在南立面两端，建筑东、西立面设马头墙。天井地面为卵石铺砌，屋顶为黑色板瓦覆盖，建筑木构用料较为纤细。

该历史建筑主体是穿斗式结构，建筑整体格局完整，风貌协调，空间信息繁多，细部尺寸繁复以及构件密集。具体表现为：①建筑屋顶造型较复杂，四坡屋顶，屋顶四周翼角轻盈起翘，东西立面设有徽派建筑风格的马头墙；②屋顶出檐不深，但附属构件层层遮挡；③大木作多使用自然材等异形构件，例如特色构建月梁和木雕雀替（如图1所示）。

图1 竹林村彝伦堂屋架月梁（图片来源：作者自摄）

3.2 竹林彝伦堂的扫描站点架设

建筑内仍维持自然采光，室内照度、亮度值较低，且不均匀分布，沿屋檐至里呈逐渐衰减趋势。建筑内光线不足，影响建筑内部测绘工作。为获取高质量的扫描数据，设计团队经多次测验和踏勘，最终架设站点位置见图2。

3.2.1 多方位布设测站位置。由于历史建筑的内外光线环境差别较大、结构构件复杂，因此需要多方位布置测站点。在水平和垂直方位，根据建筑出檐大小、屋面坡度、结构构件等因素，综合考虑所有站点对整个建筑的测量。

3.2.2 相邻站点位置的优化。相邻站点之间的设置应该考虑叠加量。站点与站点之间的叠加量不小于1/3，以防建筑物和构建之间的相互遮挡。同时又要避免站点数过多，增加工作量[5]。

3.2.3 借助无人机，补测三维激光扫描仪站点架设难度屋顶和细部构建区域。设置屋顶位置的站点何古建筑构建的站点，分别用无人机和三维激光扫描仪操作，最终还原整个建筑以及周边环境。

3.3 竹林彝伦堂的点云数据采集

根据竹林彝伦堂空间分布和屋顶出檐的特点，将扫描区域分为建筑内部、建筑外檐下和建筑屋顶三部分分别扫描。

建筑室内。由于建筑进深和面阔较小，为避免梁架对山墙和殿内檐下雀替等构建的遮挡，建筑内部7处扫描测站呈“鱼骨状”分布。

建筑天井。四个天井分别架设一个站点，通过调整站点在天井中位置，获得最大扫描范围。如W20站点控制性扫描建筑西北区域，测站W10则从檐下采集雀替的细节信息，避免构件的遮挡。

建筑外屋顶。与传统借助升降平台进行三维激光扫描仪的站点架设不同，本实践研究配合无人机，实现四面坡屋顶的无遮挡扫描。无人机对建筑物的环绕飞行，避免了树木对历史建筑北立面的遮挡。在传统扫描技术上做补充升级，更加完整的还原建筑第五立面。

3.4 竹林彝伦堂的扫描数据处理

受目标体的表面反射误差、扫描过程中的偶然误差等因素影响，数字点云模型包含非目标建筑的噪声点，增大了数据存储量、降低了建模效率和精度。因此后期以人工交互为主，对点云模型进行删噪操作。点云数据经去噪滤波操作后，数据大量缩减，模型更加轻便。

将同步拍摄的高清纹理照片作为材质赋予点云，得到竹林彝伦堂的真实场景还原模型。图3和图4为竹林彝伦堂平面、剖面三维点云。建筑细部构建的大样图通过无人机点云数据的复原，图5为雀替大样图，构件的绝对误差值在1～4mm间，满足古建筑模型精细化建立的要求。基于古建筑点云模型的量测数据精度优于传统测绘方式，且原场景复刻的数字化模型能为后期修缮工作提供详细的基础资料。

图3 竹林彝伦堂一层平面三维点云（图片来源：作者自绘）

图4 竹林彝伦堂剖面三维点云（图片来源：作者自绘）

4 结束语

本文以清代历史建筑金华兰溪市竹林彝伦堂为例，阐述了三维激光扫描采集点云数据的全流程，实现了建筑数字信息模型的复刻，为复杂古建筑点云数据的完整精准获取和模型建立提供了新思路。历史建筑数字化模型以构建大样为基本单元，展现了历史建筑的营造技术，为历史建筑的预防性保护和修缮提供技术支撑。