三維激光掃描技術在古建筑修繕中的應用

■ 李紫璇 LI Zixuan 鞏玉發(fā) GONG Yufa

0 引言

自1930年中國營造學社成立之后，國內以梁思成先生為代表的建筑學家開始對中國現(xiàn)存的古建筑進行測繪和整理。1982年，我國出臺了《中華共和國文物保護法》，隨后一大批古建筑保護專家出版了大量歷史建筑修繕方面的著作。

總體上，我國古建筑修繕領域一直堅持傳統(tǒng)修繕方法的原則。明朝之前，建筑修繕的方法都掌握在專業(yè)匠工手里，匠戶子孫不得轉戶，很多修繕手藝隨著朝代的變更和家族的興衰而失去傳承。明崇禎年間的綿竹靈官樓在“5·12”汶川地震損毀后重建，從始建到即將完工用了8年時間，誰料到，耗費大量人力物力復原的古建筑又損毀于2017年的大火。建筑修繕技術落后和耗時問題得不到解決，這樣的情況仍會再次發(fā)生。正視傳統(tǒng)修繕技術的缺失并尋求創(chuàng)新和突破，研究遵守修繕原則并選擇符合當前科技發(fā)展情況的新技術，是當前古建筑修繕技術創(chuàng)新的課題。

1 傳統(tǒng)修繕技術概況

傳統(tǒng)修繕技術選材嚴苛、工藝復雜、耗時耗力，且從業(yè)人員數(shù)量有限，多以師徒間口傳心授的方式來獲得延續(xù)，工匠們大多并不擅長用文字和圖紙進行記錄。歷史上能夠為我們提供完整的建筑修繕方法并流傳下來的，只有宋代李誡所著的《營造法式》和清朝的《工程做法則例》，但本質上并不是建筑學專著，而是朝廷頒布的關于建筑的規(guī)范和制度，類似于今天政府頒布的建筑規(guī)范和建筑法規(guī)[1]。雖然近幾十年我國古建筑修繕專家撰寫了許多修繕技術方面的著作，將歷史建筑按照木作、瓦石、泥漆幾大類型修繕技術進行歸納總結[2]，但是要將理論研究應用到實際項目修繕中，單獨依靠建筑師或工匠很難完成?；ヂ?lián)網(wǎng)時代到來之前，對于需要修繕的古建筑，其前期的勘察測繪都通過人工完成?？辈祀A段主要通過表面觀察的方法；古建筑傳統(tǒng)測繪大致分為草圖勾畫、尺寸測量、測稿整理、儀器草圖繪制、總平面圖測繪和計算機輔助制圖[3]，測量工具大致分為手工測量工具（皮尺，垂球、細線）和測量儀器（測距儀、標線儀等）[4]。由于很多位于視覺盲區(qū)的隱蔽區(qū)域難以捕捉，且測繪所得的數(shù)據(jù)數(shù)目龐大，容易遺漏，時效過低，耗費了過多的人力物力。

古建筑修繕有著周期性，不同的修繕團隊再次修繕之前都需要重新測量，數(shù)據(jù)細微的不同日積月累會造成巨大的隱患。由于技術手段的缺乏和得不到有效及時的修繕，一部分慘損嚴重甚至只剩遺址的古建筑直接使用現(xiàn)代的鋼筋混凝土進行復原修繕，變成了仿古建筑，失去了其歷史價值，情況不容樂觀。

圖1 崇教寺建筑及周圍搭設的房屋

圖2 三維掃描技術應用流程

圖3 現(xiàn)存大成殿外部靶點標設

2 三維激光掃描技術

2.1 三維激光掃描技術的概念

所謂三維激光掃描技術，就是借助計算機和三維掃描儀獲取物體表面每一個點的坐標、反射率等信息，根據(jù)龐大的點云數(shù)據(jù)信息快速構建出三維彩色模型，實現(xiàn)三維、高效、精準、非接觸的測量，其中，三維激光掃描儀的精度可以達到微米，并且支持凹凸不平的建筑細部掃描。在歷史建筑修繕前期測繪中，三維激光掃描技術有著突出的表現(xiàn)。

2.2 三維激光掃描技術的應用

2.2.1 項目概況

筆者進行實地調研測繪的崇教寺大成殿位于遼寧省營口市蓋州市，有著兩千多年的歷史，曾是東北地區(qū)重要的通商口岸?，F(xiàn)存的蓋州古城建造于明朝洪武年間，崇教寺原址就坐落于蓋州古城的西門口。明清時期，蓋州人尊崇儒術，以道德之風教化世人，崇教寺成為當?shù)匚娜巳迳奂膱鏊?，被稱為蓋州的“孔子廟”。原址在清朝康熙年間重新修建，重建的崇教寺距今已有300多年的歷史。

在對崇教寺前期考察調研中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)院內僅存大成殿、大成門及東配廡，在2014年被列為省級文物保護單位之前，曾作為民用建筑，先后用作游戲廳、臺球廳、網(wǎng)吧等，古建筑殘損嚴重。主殿大成殿周圍搭建了許多房屋（圖1），更換了門窗和地面，對宮殿外立面造成很大傷害；屋頂瓦件吻獸缺失、風化嚴重，雜草叢生；大殿臺基湮滅，內部后檐柱糟朽，地面磚缺損且柱頂石淹沒于地面。

2.2.2 修繕測繪中的應用

對于古建筑勘察測繪，若僅僅依靠傳統(tǒng)人工記錄數(shù)據(jù)、標尺測繪等手段，很難將建筑殘損部分精確地表達出來，因此，對崇教寺大成殿進行的三維激光掃描測繪，流程如圖2所示。

為了完整地掃描出大成殿建筑外部立面情況，在拆除周圍搭設房屋的基礎上，設立6個主要控制點，確保各個靶點相互補充和通透可視（圖3）。標設站點能夠滿足測繪距離和所需精細程度的要求，站點形成的網(wǎng)絡使大殿外部數(shù)據(jù)形成一個整體。

在實際測繪中，對大成殿內部進行靶點鋪設時，為了保證轉換精度，公共點采用特制的球形標靶和平面標靶，盡可能讓每個掃描點形成最適宜的三角形或者多邊形。由于大成殿內部結構復雜和現(xiàn)場采集條件等原因，采取分層多次掃描的方法，以獲得更多的數(shù)據(jù)來構建模型。大成殿內部的站點標設如圖4所示。所獲得的原始點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過拼接、去噪、抽稀、精簡、坐標轉換等步驟，生成完整、精細的三維模型。

圖4 大成殿內部站點標設(藍色標注）

圖5 大成殿西立面的剖切示意圖

由于中國古建筑有著復雜的建筑結構和精細的建筑構件，每一棟古建筑存在的殘損和形變也各不相同。在應對復雜結構和精細程度要求較高的古建筑修繕時，三維激光掃描就需要搭設外部腳手架來輔助測繪，根據(jù)建筑物的高度、數(shù)據(jù)所需的精細程度和現(xiàn)有的設備條件來選擇靶點位置和剖切平面，將掃描獲得的點云分析圖和手工測繪圖紙相結合，能夠精確地分析出梁和柱當前的形變、收分和側腳，再與歷史資料進行對比，就能得到準確程度較高的現(xiàn)狀圖。如圖5即為經(jīng)三維激光掃描對比后得到的大成殿西立面的剖切示意圖。除了在掃描過程中應用垂直剖切的方法來獲得更加完整的數(shù)據(jù)，在將點云數(shù)據(jù)導入CAD等繪圖軟件之前，同樣可以通過Cyclone 9.1 軟件的 Cutplane 切片功能，分別對水平和垂直兩個方向對點云數(shù)據(jù)進行切片處理，切片的薄厚和所需要的精度相關，直到能分辨出建筑的屋脊、檐口、窗檻的清晰輪廓和界限，為接下來的輪廓線描繪做好準備。

在崇教寺大成殿的實地調研中發(fā)現(xiàn)，由于四周搭設的房屋，古建筑表面墻體和檐口被破壞得最為嚴重，墻面的平整度和收分已經(jīng)不能單純依靠手工測繪完全表達出來。在三維激光掃描技術的幫助下，我們快速獲取了古建筑墻面點云數(shù)據(jù)，依靠柱網(wǎng)軸線和點云所形成的參考平面，對墻體的收分和平整程度進行詳細分析，再與實地調研的照片和測量數(shù)據(jù)圖紙相結合，從而獲得了大成殿墻體的現(xiàn)狀（圖6）。

三維掃描技術能夠將建筑及文物的尺寸、材質、色彩、細微的紋理、殘損表達出來，為之后的修繕設計提供了準確的數(shù)據(jù)信息。目前，國內已有很多古建筑將三維激光掃描應用到了前期測繪和三維建模上，例如頤和園大戲樓、佛香閣、故宮擷芳殿、洛陽安國寺大雄殿等；此外，古城村落遺址同樣也可以運用三維掃描技術。

2.2.3 模型信息存檔中的應用

除了在修繕前期測繪中的應用以外，三維掃描技術在古建筑修繕模型構建和信息表達同樣具有實效性，通過掃描的點云數(shù)據(jù)構建的計算機模型，能夠實現(xiàn)古建筑修繕信息的保存、延續(xù)和傳播，結合3D MAX或Revit等軟件，對古建筑文物的歷史和現(xiàn)狀信息進行數(shù)字化存檔,完成生物學中“遺產生命周期”這一過程。古建筑的歷史價值、精神和物質價值都能在完整精準的信息模型中得到體現(xiàn)，其轉化過程如圖7所示。

圖6 大成殿北立面墻體現(xiàn)狀剖面圖

圖7 點云生成模型過程[5]

圖8 系統(tǒng)掃描原理坐標圖

3 三維激光掃描技術應用中存在的問題

在應用新技術之前，有一點需要明確：古建筑的設計、修繕、復原從來都不是技術和數(shù)據(jù)的堆砌，它有著更多人文和藝術的內涵。傳統(tǒng)勘察測繪除了對數(shù)據(jù)進行測量以外，更多的是通過人的視覺、觸覺來感知建筑，所有心得體會都會在之后古建筑修繕設計中得到體現(xiàn)，這是軟件模型信息所不能提供的。三維激光掃描技術的應用，同樣存在以下問題。

（1）根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)的掃描原理，原始數(shù)據(jù)主要包括反射鏡在水平方向的旋轉角度α、在豎直方向的旋轉角度θ和激光反射掃描點到儀器坐標中心的距離S，系統(tǒng)掃描原理坐標圖如圖8所示。由于外部條件的變化和儀器的缺陷會造成不同程度的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，測量所獲得的數(shù)據(jù)存在大量游離的點云，雖然可以通過去噪步驟減少誤差的影響，但仍會對接下來的三維模型生成造成很大的障礙（特別是在古建筑模型精度要求較高的情況下）。因此，靶點的標設并非是固定的。由于崇教寺大成殿內部存在券門封堵、窗扇檻框缺失、柱頂石淹沒于地面等問題，根據(jù)實際需要，我們改變了測站儀器的架設位置，在不同角度多次觀測（圖9），將多角度多次測量所獲得的數(shù)據(jù)進行交叉對比，快速地消除掉隨機性很強的游離點云數(shù)據(jù)；此外，對于一部分儀器的缺陷造成的系統(tǒng)誤差，其分布方式大致符合高斯正態(tài)分布，可以根據(jù)公式來選取數(shù)據(jù)的平均值抵消或減弱誤差帶來的影響。

（2）雖然最先進的三維激光掃描技術精度能夠達到微米，通過Geomagic、Polyworx等工程軟件可以生成高精度的NERBUS模型，但這種方式需要的點云數(shù)據(jù)異常龐大，建模時間很長，不能滿足當前一些古建筑保護工程的工期要求；而若將點云數(shù)據(jù)導入Microstation、Auto CAD等軟件中，雖然數(shù)據(jù)量較小，建模時間也很短，但要是古建筑本身殘損嚴重，如焚毀、僅存遺址或擁有過于復雜的構件和衍生模型等，就很難通過三維激光掃描技術獲取完整數(shù)據(jù)，需要通過其他測繪手段和方法進行補充。在崇教寺大成殿的前期調研中發(fā)現(xiàn)，檐口、屋脊、雀替和窗扇都已缺失，周圍搭建的房屋遮擋了大面積的建筑外立面，無法進行點云數(shù)據(jù)的采集。筆者在查找了大成殿歷史資料，并調研蓋州市周邊相同年代建筑后，決定應用清代重建時的營造法式[5]來填補和復原大成殿圖紙缺失的部分（圖10）；對于構件復雜的紋理和色彩，則采用數(shù)碼相機采集的傳統(tǒng)方式，在模型中進行貼圖處理，彌補點云數(shù)據(jù)的不足。

被稱為360°實景復制技術的三維激光掃描技術，除了能夠主動實現(xiàn)非接觸、快速高效的實時測繪，也為修繕前期提升了更多的工作效率，技術所需操作人員少，確保了修繕人員的人身安全。相比較沒有數(shù)據(jù)和坐標系作為依托的古建筑照片，這項新興技術最突出的優(yōu)勢在于對于信息數(shù)據(jù)的采集、篩選、整理和轉化，能夠精準地將掃描所獲得的原始坐標點云轉化成三維模型，是建筑遺產“全生命周期”管理中最基礎的一環(huán)。種種技術優(yōu)勢讓研究者看到了這項技術在古建筑修繕領域更多的可能，但針對三維激光掃描技術在應用中出現(xiàn)的問題，同樣需要我們用傳統(tǒng)的測繪方法進行優(yōu)勢互補。因此，在對需要修繕的古建筑場地進行實地勘測和分析之后，將三維激光掃描技術和傳統(tǒng)測繪技術相結合，可以有效地縮短修繕工期和節(jié)省修繕預算，更加快速地獲得古建筑信息模型，為接下來的復原工作打下良好的基礎。

圖9 大成殿內部增設靶點（紅色標注）

圖10 大成殿歷史照片和清代窗檻營造法式

4 結語

新興技術隨著科技的進步逐漸完善，三維激光掃描技術具有三維的、高精度、高效率、節(jié)省人力物力資源等突出特點，不僅在文物修復中有突出表現(xiàn)[6]，在實際項目的調研測繪和修繕中，相對于傳統(tǒng)測繪和修繕技術更具有優(yōu)勢。在遵循修繕原則和傳承傳統(tǒng)測繪修繕技術的基礎上，將新技術合理地應用到歷史建筑修繕技術流程中，彌補傳統(tǒng)修繕方式的不足，使新舊技術優(yōu)勢互補，以更高的效率和更高的質量為當前急需修繕和保護的歷史建筑提供有力的技術保證。