三維激光掃描技術(shù)在廣西客家圍屋保護(hù)工作中的應(yīng)用探討

歐波

（廣西民族博物館，廣西 南寧 530028）

三維激光掃描技術(shù)是高速激光掃描測(cè)量技術(shù)，通過(guò)快速掃描被測(cè)物體表面結(jié)構(gòu)，獲取高精度掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和表面空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能快速對(duì)物體進(jìn)行三維建模和重現(xiàn)，能有效反映客觀事物的真實(shí)形態(tài)特征，具有高效率、高精度、高密度、無(wú)接觸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，因此在文物數(shù)字保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐漸成為當(dāng)前文物保護(hù)技術(shù)研究熱點(diǎn)之一[1]。

1 三維激光掃描儀技術(shù)在客家圍屋保護(hù)工作中的優(yōu)勢(shì)

客家圍屋是客家人的代表性民居，是客家人遷徙的歷史見(jiàn)證物，具有重要的歷史、藝術(shù)和文化價(jià)值。重要建筑需要采用積極的手段進(jìn)行保護(hù)，為建筑的保護(hù)和修復(fù)、管理和展示提供科學(xué)完整的依據(jù)。

1.1 有效提高效率，提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)

三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)中耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、工作量大、數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確等局限，能快速獲取掃描物體的立體信息，清晰描述其整體和關(guān)鍵要素，掃描面積大，抗干擾性強(qiáng)，極大的提高了數(shù)據(jù)的獲取能力和工作效率，高精度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)也為建筑保護(hù)修復(fù)方案的制定提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

1.2 轉(zhuǎn)變工作重點(diǎn)，側(cè)重研究保護(hù)

以往圍屋保護(hù)工作中，建筑本體的測(cè)量耗費(fèi)了工作人員大量精力，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)，可以把研究者從瑣碎的基礎(chǔ)工作中解放出來(lái)，更專注于文物的分析、研究和保護(hù)工作中。

1.3 助力科學(xué)建檔，逆向重建工程成為可能

三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圍屋全方位真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)字化記錄，生成了一系列實(shí)體建筑空間、點(diǎn)、線、面、體等標(biāo)準(zhǔn)翔實(shí)的數(shù)據(jù)，為建筑原始資料的檔案建立、修繕和復(fù)建等保護(hù)工作提供了科學(xué)的依據(jù)，也使三維逆向重建工程的實(shí)現(xiàn)成為了可能。

1.4 成果數(shù)字化，增強(qiáng)科普宣傳力度

通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的三維數(shù)據(jù)成果，具有可視化、仿真化、數(shù)字化和精細(xì)化等特點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代賦予了鮮活的生命力。這些形象生動(dòng)的數(shù)字成果對(duì)文化機(jī)構(gòu)展覽的直觀展示、社會(huì)教育的科普宣傳、優(yōu)秀遺產(chǎn)文化的傳播和弘揚(yáng)都起到了積極的作用。

2 項(xiàng)目概況

全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位廣西賀州市八步區(qū)蓮塘鎮(zhèn)仁沖村的江氏圍屋始建于清光緒年間，規(guī)模宏大，保存完好，具有獨(dú)特的建筑藝術(shù)風(fēng)格和深厚的歷史和文化價(jià)值，是廣西客家圍屋的杰出代表。由廣西民族博物館組織文化遺產(chǎn)保護(hù)科技公司啟動(dòng)的廣西民族文化“1+10”陳列文物數(shù)字化保護(hù)項(xiàng)目中，采用了三維激光掃描技術(shù)對(duì)圍屋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并取得了一系列的成果。成果廣泛應(yīng)用于博物館的陳列展示和科普宣傳工作中，獲得了良好的社會(huì)反響。

3 實(shí)施工作流程

3.1 前期工作

3.1.1 開(kāi)展文獻(xiàn)資料收集，走訪當(dāng)?shù)亟ㄔ旃そ常瑸楹笃趪萁ㄖ沃?、建筑?fù)原動(dòng)畫符合事實(shí)和科學(xué)原理提供依據(jù)。

3.1.2 收集測(cè)量區(qū)域和附近已有的控制測(cè)量成果及地形圖資料。

3.1.3 外業(yè)踏勘，為避免數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)生意外對(duì)工作環(huán)境、作業(yè)安全系數(shù)進(jìn)行分析，定制技術(shù)路線。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)工作

3.2.1 三維激光數(shù)據(jù)采集。圍屋建筑體量比較大，共占地23畝，四堂四橫，16 個(gè)天井，廂房100 多間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境詳細(xì)勘察，圍屋內(nèi)部數(shù)據(jù)采集利用Faro Foucs3D120 相位式三維激光掃描儀進(jìn)行多角度激光掃描獲取圍屋激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)；圍屋外部數(shù)據(jù)采集采用大疆無(wú)人機(jī)全景掃描結(jié)合三維激光掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

標(biāo)靶布設(shè)：在保證通透性的情況下均勻布設(shè)球形標(biāo)靶，掃描儀與標(biāo)靶的+間距基本控制在2-10 米范圍內(nèi)。

激光掃描：儀器架設(shè)注意場(chǎng)地平整度，掃描時(shí)遵循多視角、全面覆蓋掃描原則，合理設(shè)計(jì)掃描采樣密度，獲取三維激光掃描原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)。為確保每站掃描獲取表面完整數(shù)據(jù)，兩測(cè)站間掃描表面重疊度至少控制在30%以上（在保證采樣率和拼接精度的前提下，合理設(shè)置最少架站數(shù)量以提升后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率）。針對(duì)較高部位，在確保掃描采樣間距不變的條件下增加掃描距離進(jìn)行分層掃描；針對(duì)復(fù)雜表面，加大掃描密度進(jìn)行針對(duì)性掃描儀獲取完整特征數(shù)據(jù)[2]。

搬站：此項(xiàng)目圍屋內(nèi)、外部掃描期間共布置了104 個(gè)站點(diǎn)。

見(jiàn)圖1、2。

3.2.2 圍屋表面高清紋理數(shù)據(jù)采集。圍屋立面及屋頂?shù)母咔寮y理信息采用高清單反相機(jī)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像信息采集，采集過(guò)程遵循從整體到局部，先全景后細(xì)節(jié)的原則，注意不同時(shí)期光線對(duì)成片的影像，保證在最小數(shù)據(jù)量的情況下完成所有紋理采集完整；用于制作正射影像的照片重疊度控制在30%左右。

圖2 采集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

3.3 數(shù)據(jù)處理、三維模型

Faro 三維激光掃描儀自帶的Sence 軟件可適當(dāng)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這里我們使用了中海達(dá)自主研發(fā)的點(diǎn)云預(yù)處理軟件（HD 3LS Scene）和基于AUTO CAD 平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)的三維激光點(diǎn)云建模軟件（HD PtCloud Modeling），對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接、去除噪點(diǎn)、點(diǎn)云分類、過(guò)濾等預(yù)處理，統(tǒng)一空間坐標(biāo)系將點(diǎn)云和影像配準(zhǔn)，使點(diǎn)云自動(dòng)賦色生成影像點(diǎn)云。根據(jù)點(diǎn)云輪廓線提取快速構(gòu)建模型，對(duì)模型進(jìn)一步高清紋理貼圖處理，制作出標(biāo)準(zhǔn)三維模型[3]。（圖3-7）

圖3 HD PtCloud Modeling 自動(dòng)化建模流程

圖4 點(diǎn)云模型

圖5 三維素模

圖6 圍屋三維模型

圖7

3.4 精度說(shuō)明

三維激光掃描獲取的建筑三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精度可達(dá)到毫米。本次項(xiàng)目采用的三維激光掃描儀為Faro Foucs3D120，所取得的成果誤差主要出自設(shè)備的測(cè)距精度（25 米處誤差2 毫米范圍內(nèi)）、球形標(biāo)靶識(shí)別精度（約1.5 毫米）和全站儀的測(cè)量精度三個(gè)方面[4]。

4 成果應(yīng)用

基于三維數(shù)字模型，我們可以制成各類剖面圖、結(jié)構(gòu)圖、工程圖；實(shí)現(xiàn)空間模型完全一體化和模型建構(gòu)的完全可逆操作，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)或模擬修復(fù)應(yīng)用；幫助研究人員更開(kāi)展圍屋形制結(jié)構(gòu)、營(yíng)造方法等多個(gè)領(lǐng)域的深入及拓展研究。

4.1 可實(shí)現(xiàn)任意測(cè)量功能

通常在建筑保護(hù)與修復(fù)過(guò)程中，現(xiàn)狀測(cè)量是否準(zhǔn)確和全面？直接關(guān)聯(lián)著建筑結(jié)構(gòu)變形分析的判斷和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的精確。高密度、可視化的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和仿真模型，將有助于我們對(duì)建筑整體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、重要構(gòu)建等關(guān)鍵信息的觀測(cè)和分析研究。我們可以利用三維點(diǎn)云模型或高精度的三維模型，根據(jù)具體需求生成各類建筑的線劃圖、建筑的平、立、剖面圖等。具體可直接運(yùn)用點(diǎn)云處理軟件或者三維建模軟件，與AutoCAD 聯(lián)合進(jìn)行基于點(diǎn)云或模型的二維多段線量測(cè)、三維多段線量測(cè)、平面擬合、球面擬合和柱面擬合，進(jìn)行任意視圖的單切片、多重切片處理和截面管理等。相比較點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)三維模型進(jìn)行繪制切面的方法要相對(duì)效率更高。數(shù)字成果直觀、便捷、智能地實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑任意的點(diǎn)、線、面、空間的測(cè)量及對(duì)稱性和形變分析等操作，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，為工作人員后續(xù)圍繞建筑開(kāi)展系列基礎(chǔ)的研究和保護(hù)工作提供了科學(xué)支持。

圖8 生成線劃圖

4.2 正射影像圖

紋理映射是制作正射影像圖的關(guān)鍵，紋理映射是通過(guò)空間投影關(guān)系，將三角網(wǎng)模型與相應(yīng)照片對(duì)應(yīng)融合生成虛擬彩色模型，經(jīng)過(guò)映射紋理模型輸出的正射影像能夠按照模型的幾何精度來(lái)表現(xiàn)建筑表面的各類特征，這對(duì)建筑外形結(jié)構(gòu)及表面信息保留具有重要意義。

4.3 基于模型的分析研究、宣傳應(yīng)用（包括研究、保護(hù)、修復(fù)、重建等）

三維激光掃描取得成果的數(shù)字化的特點(diǎn)，還可以對(duì)建筑部件實(shí)現(xiàn)模擬修復(fù)、重建等完全可逆操作的演示應(yīng)用，這對(duì)文保修復(fù)方案的制訂、大眾科普和文物展示宣傳工作都起到了積極的作用。

圖9 建筑三維復(fù)原動(dòng)畫片段節(jié)選

項(xiàng)目中，我們撰寫圍屋建筑形制構(gòu)造復(fù)原動(dòng)畫的分鏡頭腳本，根據(jù)動(dòng)畫分鏡頭腳本設(shè)置動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)軌跡和渲染參數(shù)，通過(guò)分析各物件材質(zhì)需求布置燈光、配置音樂(lè)，從整體上把握動(dòng)畫的節(jié)奏和風(fēng)格，并在視頻合成軟件中進(jìn)行合成了長(zhǎng)達(dá)7 分49 秒的賀州客家圍屋建筑形制構(gòu)造復(fù)原動(dòng)畫。動(dòng)畫內(nèi)容主要包括圍屋的建造過(guò)程和建筑本體游覽，清晰地展示出了賀州客家圍屋的形制構(gòu)造，生動(dòng)再現(xiàn)了圍屋精湛的建造技藝。

5 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)為建筑遺產(chǎn)的保護(hù)提供了一種可靠的數(shù)字保護(hù)方法，它極大的提升了文化遺產(chǎn)的科學(xué)保護(hù)手段，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到文保工作的各個(gè)領(lǐng)域。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟和軟、硬設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，其記錄的對(duì)象、獲取及管理數(shù)據(jù)的功能也將越來(lái)越強(qiáng)大，我們?cè)趹?yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，也要注意和其他技術(shù)手段的相互補(bǔ)充和借鑒，繼續(xù)探索其在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域中的勘查設(shè)計(jì)、安全監(jiān)測(cè)、工程實(shí)施和保護(hù)管理等各方面的廣泛應(yīng)用，這還需要我們文物保護(hù)工作者不斷拓寬知識(shí)領(lǐng)域，繼續(xù)加強(qiáng)學(xué)科交流并積極探索實(shí)踐。