建筑本体测量与三维激光点云文物建筑数字化保护工程

刘思琦

摘 要：古建筑是全人类的文化遗产，在历史发展过程中，留下了具有重要意义和研究价值的珍贵文物，但是随着时间的变迁，环境和人为因素，受到或多或少的破坏，造成不可挽回的损失。现今人们越来越重视对文物的研究与保护。本文以一卷一殿式勾连搭关帝殿为例，利用三维激光扫描技术以及建筑物本体量测获取全方面数据，最后利用Autodesk 3dsMax软件进行三维建模。通过实验证明，此方法可以高效快速的得到1：1复原场景的古建筑建模，为古建存档、修缮提供真实可靠的数据。

关键词：三维激光扫描;本体量测;Autodesk 3dsMax

1 数据采集

1.1三维激光扫描数据采集

三维激光扫描技术是通过高密度的扫描点来表达和记录被测物体尺寸和形态的技术，点云数据是最为原始的测量数据，被测物体的三维几何信息都蕴含在点云数据中。立体模型可构建三维数字模型，作虚拟现实和模拟修复等应用，亦可制成各类工程图、结图、切面图等。

FARO FocusS 350是法如最受欢迎的，简约轻便且直观的的三维激光扫描仪，一方面与其他测量方法相比，三维激光扫描仪具有非接触性，这使其不用接触文物表面就可以迅速获取三维坐标信息。在古文物测绘中，不仅提高了测量人员的人身安全，而且最大化的降低了对文物自身的损害。另一方面，功能齐全、进行准确、可与多种通用的商业软件配合使用等等。全面的现状测量是分析结构变形和绘制设计图纸的工作基础。扫描数据的高密度、可视化、三维数字化为测量以及修复提供了更加精确更加完善的依据，所以对古建筑数据采集使用三维激光扫描仪更加适合。扫描仪参数：

数据采集设备：FARO FocusS 350三维激光扫描仪

激光等级：1级激光

测量速度（pts/秒）：122，000/244，000/488，000/976，000

三维位置精度：10m：2mm/25m：3.5mm

测距误差：±1mm

文物依照其特点、历史文化背景、规模大小有很多分类，但没有统一的分类方法。本次实验的对象是不可移動文物关帝殿。其屋顶形式为一殿一卷式勾连搭，五檩无廊式大木结构。正式扫描前进行预扫描，确定扫描位置，扫描范围与扫描站，以保证最佳扫描方案。一站扫描时间约8分钟。

三维激光扫描快速获取对象真实的尺寸，但是对于一些扫描死角，并未采集到其有效数据。这时就要利用传统的古建测绘方法以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其构件的尺寸而获取的最终资料。

1.2本体测量数据采集

建筑本体测绘首先通过对文保单位文保档案的调查，明确需测绘的文物建筑，划定建筑测绘的工作范围。对于文物建筑，进行反映建筑大木结构、构造、规制等历史信息的测绘，并绘制CAD图纸;对于其它复建、新建建筑，则根据实际情况，沿用设计图纸，或做部分数据补充测绘。

测绘方法：采用三维激光扫描、全站仪及手工测量相结合的方法进行，对于装饰构件采用近景摄影测量方法以便CAD图纸的描绘。

各单体建筑的测绘内容包括：台基、踏步、地面墁砖、大木梁架结构、墙体、铺作、门窗、装饰构件、屋顶等建筑要素。

（1）地面测量：台基总尺寸、柱网、墙体等;柱径、柱础的各部分尺寸、柱与墙或门窗交接部分等;台基、地面的高程和细部，包括踏跺、阶条、铺地砖石、散水等。

（2）檐下、梁架：檐下梁架尺寸，檐柱柱顶柱径、各梁枋定位、断面及出头部分尺寸，斗拱定位尺寸及细部尺寸，檐出部分椽子及连檐等细部尺寸，门窗及墙体上部尺寸等;下金桁及相关梁枋尺寸，包括下金桁高程及断面尺寸;梁枋点垫板等定位及断面尺寸;金柱上部尺寸等;上金桁相关梁枋尺寸，包括脊桁、上金桁、下金桁水平间距，上金桁高程及断面尺寸，梁枋、垫板等定位及断面尺寸，瓜柱尺寸等;脊桁及相关梁枋尺寸，包括脊桁高程及断面尺寸，梁枋、垫板等定位及断面尺寸，瓜柱尺寸等。

（3）屋面测量：总尺寸、重要定位尺寸及高程;屋面曲线;正脊与垂脊断面、吻兽及各类其他瓦件细节部分尺寸。

（4）建筑油饰彩绘及小木装修调查记录：近景影像拍摄，采用多角度，全方位拍摄;对油饰彩绘等文物本体，进行纹理等基本信息的测绘与调查，并提取出相关纹饰记录信息。

（5）构件材料调查记录：对建筑物的各个构件材料的信息进行详尽的记录，将不同构件的材料名称通过电子记录和纸质记录相结合的方式将构件材料的信息进行采集，并在CAD图上标明其构件材料特征及规格尺寸，为后期模型的建立做好基础数据准备。

（6）图形数据的编辑：对于油饰彩绘及小木作装修的调查，应建立其正摄影像，采用图形编辑软件，对其彩画纹样、装修形式进行线画描绘与编辑。

2 点云数据处理

固定式三维激光扫描仪在对古建筑群进行扫描时，都要通过多个测站、全方位扫描才能扫描完成，外业数据采集完成后，可利用SCENE软件对数据进行拼接，使之成为一个整体。整个过程就是点云拼接。点云数据拼接可基于控制点拼接、基于几何拼接或基于算法拼接等等。将多站点云数据进行处理扫描一系列处理后，可导出扫描点。最后导出切片创建建筑平面图，为下一步绘平立剖做基础数据。

3 平立剖绘制与模型建立

切片导出后为tif格式图片，将其加载到AutoCAD中，按点云图片进行依比例绘制平立剖图。

上述过程已经获取了关帝殿的平面图和立面图，这已经具备建立模型数据的条件，本文选用Autodesk 3DsMax软件对关帝殿进行建模。Autodesk 3DsMax软件使用者多，容易操作，且可输出多种数据格式。3DsMax建模分为几何重建和纹理贴图。纹理贴图可1：1比例完全还原古建。如下步骤所示：

（1）在建模前，首先分析建模数据及建模所需的材质贴图。在CAD软件中，对平立剖数据进行预处理，删去无用的费线，如填充的图案，文字、标尺及图层等。再将CAD电子图导入3Dsmax软件中，注意建模前设置单位为“米”。

（2）在将建模数据导入建模软件中后，开始进行建模。可利用3Dsmax软件中几何体功能按照相应顺序进行模型制作。

（3）为满足1：1完全还原古建筑，我们最后要对几何模型赋予材质，纹理贴图。贴图的材质照片获取：由专业人员去现场拍摄正射影像照片，要注意避免照片曝光，色差等。具体步骤依据软件步骤操作。最后根据所需提交的模型格式输出数据。

4 结束语

本文通过讲述古北口关帝殿案例分析来阐明文物建筑数字化保护工作的重要性。以外业数据采集（三维激光扫描、本体量测）、Autodesk 3DsMax三维重建技术。通过此次实验探究出一条适合文物建筑数字化保护和传承的实现路径，对我国古建筑数字化保护有非常重要的意义。