基于三维激光扫描点云的古建筑保护与模型构建(1月)云南省文物考古研究所

古代建筑是中国传统文化的重要组成部分，见证了一个时代的变迁，一旦破坏，就再难以接续和修复。古建筑自身承受风吹雨打，也一直在慢慢变“老”。对古建筑的现状信息记录长期停留在照片和皮尺测绘阶段。

对古建筑进行三维重建是古建筑保护的有效手段。传统测绘技术主要是单点精确测量，但用它做建模工作时就爱莫能助了，因为描述目标结构的完整属性需要大量的测绘点采集，少则几万个，多则几百万以上，这样才能把目标完整的搬到电脑中来。如何更加全面的记录古建筑的信息是摆在文物保护工作者前面的一大难题。三维空间信息数据的快速获取是制约古文物三维重建的一个难题。三维空间信息的获取其实质是空间定位数据的采集。随着计算机技术的快速发展，各种传感器的精度大幅提高，三维激光扫描技术出现了。

三维激光扫描技术是全自动高精度立体扫描的技术。三维激光扫描系统集成多种高新技术的三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式。可快速获取被测目标表面的阵列式几何图形的点云数据，可快速应用于古建筑三维重建和局部信息的空间信息获取，是目前测绘发展的一个重要方向。本文以建水指林寺为例介绍三维激光扫描数据采集、数据处理和模型的构建。

指林寺位于云南省红河哈尼族彝族自治州建水县临安路西段，始创于宋末，后经元、明、清三代的多次扩建、重修，在历史上成为二殿一阁一坊一门二庑二塔的三进完整寺庙。1950年初，指林寺被南逃的国民党军队洗劫，并遭焚毁，仅留下元代正殿、清代牌坊等少数建筑。建水县人民政府于1963年和1980年两次对现存正殿、牌坊进行维修，使其仍保持原来的结构特征。现存的元代正殿、清代牌坊，正殿不失其雄伟挺拔之气势，牌坊不愧为小巧玲珑的坊中精品。2006年5月，指林寺被公布为第六批全国重点文物保护单位。

大空间三维扫描内容包括：古建筑各类结构数据，包括石作、大木作、小木作、瓦作、泥作和砖作和附属文物。石作扫描内容包括建筑台基、台阶、门等；大木作扫描内容主要包括柱网、铺作、梁架等小木作扫描内容主要包括窗、隔扇等；瓦作扫描内容主要包括屋面、屋脊等；泥作和砖作的扫描内容主要为围合建筑空间的土坯墙体，和用来区分室内外的封护土坯墙体。若古建筑内外有重要价值的碑刻、塑像、石雕砖雕、彩画等附属文物，需要使用手持扫描仪采集数据。

工作人员通过搭建脚手架、使用绳子临时固定住遮挡树木、清理现场遮挡物体、清扫地面、清除部分遮挡杂草等方式解决了以上问题。使用的设备有：FaroM70三维激光扫描仪、佳能50D及尼康D810数码相机、大疆精灵3航拍无人机。最终采集了5000余张单反相机照片，立式三维扫描84组数据，手持三维扫描77组数据。收集了较为完整的指林寺三维数据和纹理数据。

进行三维激光扫描的数据采集时难以避免受到环境因素如人、树木、飞鸟等的影响，从而使采集的点云数据中或多或少地出现与被测物无关的噪声点，此时需要使用一些滤波算法过滤掉遮挡物体的点云数据及一些离散点，保留目标物的点云数据，以便下一步处理，这一过程叫做点云数据的预处理。

三维激光扫描分站式的工作方式使得每一站的点云数据都有自己独立的坐标系统，若想得到全方位的整体点云，就必须将点云数据进行配准，建立统一的坐标系统。本文使用了基于公共标靶球的配准方法，配准站间公共标靶球不少于2个，并加以公共点、公共面为约束条件，最终将站间配准精度控制在3mm以内。

指林寺采集了84组立式扫描数据，由于工作室计算机配置问题，这些数据无法直接进行配准。我们采取了把84组数据分组进行配准，先把84组分为8个小组，再把8个小组合为3个小组，最后使用3个小组进行配准，解决了这个技术问题。

三维扫描得到的数据具有重要的价值。三维扫描得到的点云数据可以用来分析建筑本体形变、建筑墙面及地面的整体平整度，实时监测建筑病害等。以预设的扫描测绘密度自动获取数以亿计的点位数据，然后通过视觉化表现手段直观显示出这些数值的变化关系，有效监测其变形范围及量级，以达到防灾减灾的目的。

点云数据能够直观地展示建筑物的病害残损信息，发现古建筑诸如梁、檩、枋等结构出现的下斜、扭曲、变形的细微变化。还可以通过建立轴向垂直平面及三维点云的拟合参考平面，对古建筑的墙体、地面进行分析。通过彩虹图高程偏差分析，得出残损病害的具体数值。此外，利用不同时期三维激光扫描得到的点云数据，还可以对病害进行实时监测。具体的变形特征需要提取不同时期三维点云数据变形结果进行对比分析，并在此基础上预测病害的变化趋势，这对发现安全问题并及时采取保护防范措施具有重要意义。

点云数据还可以指导古建筑保护修缮尺度，一座流传保存至今的古建筑，通常在历史上已经经历了几次修复，不同年代的修复工匠都在该建筑的修缮中掺入了时代与个人因素，形成了尺度形变。并且现存的古建筑大多存在歪闪、残损等病害，人工测量又带有主观误差性，测量得到的数据失去了原有建筑设计尺度的原真性，如果按照残损的数据进行修复只能加剧建筑的形变。要想还原建筑的原真性，我们就要打破传统的经验方法的局限，始终把建筑的总体结构视作有机的整体，从整体上把建筑的尺度关系。传统测绘数据繁杂细碎，点云数据能够直观把握建筑的整体尺度，修正建筑因残损、糟朽造成的误差。利用三维激光扫描整个建筑所得到的点云数据，通过对比整个梁架体系的尺寸关系，参照《营造则例》等书籍进行数据比对，找出准确的斗口尺寸，进而整体把控建筑的尺度关系，找到古建筑理论上的营造尺度，对后续的修复工作进行修正指导。

古建筑是由构件组成的，古建筑构件一般包括台基、墙体、柱、梁、檩、斗拱、屋顶等。古建筑的大木结构是由屋盖层、斗拱层和柱网层3部分构成的。屋盖层包含梁架和屋面;斗拱层由纵横交叉、互相咬合、层层铺叠的斗、拱、翘、昂、枋等构件组合而成;柱网层则是柱子、额枋等构件构成的。每种古建筑构件的位置、尺寸、材质、工艺等基本信息都是不同的。我们将古建筑以建筑构件为单位进行建模，方便信息的记录与更正。

在构建指林寺模型时，我们首先找到指林寺构件中的特征线和特征面，把这些特征点云进行格式处理；接着在建模软件3DSMAX中，导入指林寺处理后的点云，采用对应线、面等几何实体表达古建筑构件的外部轮廓；再赋予其材质、纹理信息，完成构件模型的构建;最后将所有的构建组合成为完整的指林寺模型。对于地面上的石刻，我们使用照片建模方式进行建模，在搭建脚手架后拍摄各个方向的照片，使用Acute3DViewer和PhotoScan软件进行照片处理和建模。