三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的應用

狄海寧

南京市博物總館 江蘇 南京 210000

古建筑修繕看似簡單，實則蘊含著許多的講究。當下古建筑修繕技術(shù)的發(fā)展有一定的局限性，從事該行業(yè)的專業(yè)人員較少，且對技術(shù)的要求非常嚴格，工作人員必須要綜合考慮古建筑的具體情況，然后有針對性的開展修繕工作，但是在實際工作中，這一工作進展緩慢，耗時耗力，稍有不慎也可能會前功盡棄，因此對新技術(shù)的應用也有極高的要求。三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中主要起輔助作用，可對古建筑進行針對性的測繪，以最大限度的幫助修繕。

一、傳統(tǒng)修繕技術(shù)的概況

隨著社會的發(fā)展，我國的科學技術(shù)突飛猛進，不少技術(shù)隨之出現(xiàn)，其正在向著更好的方向發(fā)展。在我國古建筑的修繕中，在其中運用了三維激光技術(shù)，來幫助工作人員更好地修繕古建筑，因為傳統(tǒng)的修繕技術(shù)在選材方面比較嚴苛，工藝復雜且耗時耗力；另外，工作人員的數(shù)量也有限，其大多都是以師徒間口傳心授的方式來獲得延續(xù)，因為大部分工匠并不擅長用紙和文字進行記錄。不僅如此，從歷史上流傳下來的完整的建筑修繕方法有宋代的《營造法式》與清朝的《工程做法則例》，其從本質(zhì)上來講，是不符合建筑學專著要求的，只是朝廷所頒布的關于建筑的規(guī)范與制度，讓工匠能夠嚴格按照要求來進行建筑，這些與現(xiàn)代政府所頒布的建筑規(guī)范和法規(guī)相似，都是用來給工作人員提供參考[1]。我國近幾十年的古建筑修繕專家雖然撰寫出了許多與建筑修繕技術(shù)有關的著作，將其用來給歷史建筑按照木作、瓦石以及泥漆等幾大類型的修繕技術(shù)進行一個歸納總結(jié)，但是要想把理論研究應用到實際的項目修繕工作中，這是一行比較艱巨的工作，如果單單只靠一個人的力量是完全不行的。此外，在互聯(lián)網(wǎng)時代到來之前，相關部門要想完成對古建筑的修繕工作，那么在工程前期一定要派工作人員去現(xiàn)場進行勘察測繪。在經(jīng)過一系列的勘查工作之后，發(fā)現(xiàn)建筑很多位于視覺盲區(qū)或者隱蔽區(qū)，難以捕捉，并且測繪出的數(shù)據(jù)過于龐大，在進行整理時極易出現(xiàn)遺漏的情況，時效較低，耗費大量的人力物力。

根據(jù)目前情況看，每一個古建筑在修繕時都會存在著周期性，不同的修繕團隊在對古建筑修繕之前都必須要先測量數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)與上一次出現(xiàn)細微的偏差，其主要原因就是由于日積月累而出現(xiàn)的隱患[2]。另外，不同的修繕團隊對古建筑的修繕手法也就不同，那么造成古建筑損失慘重甚至只剩下遺址的原因是由于缺乏專業(yè)的手段和的得不到及時有效的修繕，相關部門直接使用了鋼筋混凝土對其進行了復原修繕，導致其變成了仿古建筑，失去了其中的價值，在現(xiàn)代社會的發(fā)展中形勢不容樂觀。

二、三維激光掃描技術(shù)

（一）三維激光掃面技術(shù)的概念

三維激光掃描技術(shù)指的是借助計算機和三維掃描儀的力量來獲取物體表面的每一個點的坐標以及反射率的信息等，根據(jù)計算出的龐大的點云數(shù)據(jù)信息而快速構(gòu)建出了三維色彩模型，從而實現(xiàn)了三維、高效、精準以及非接觸的測量，在這其中，三維激光掃描儀具有超高的精準度，其能夠達到微米，同時也可以對表面凹凸不平的物體進行細部掃描[3]。此外，在古建筑正式施工前的測繪工作中，將三維激光技術(shù)應用到其中，其有著突出的表現(xiàn)。

（二）三維激光掃面技術(shù)的應用

①項目概況

在本文中，重點探究了三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的實際應用情況，以明朝洪武年間的崇教寺大成殿為例，探究了該技術(shù)在古建筑修繕中的實際應用價值。每一著名古建筑的修建均與當時的思想文化有關，在明清時期，人們較為尊儒，而崇教寺本身便處于人文地理均占優(yōu)勢的東北地區(qū)，于洪武年間修建，也被當?shù)厝俗馂樯w州的“孔子廟”。經(jīng)過多年的風雨侵襲，于清朝康熙年間重建[4]。盜墓愛為止，崇教寺歷史已逾300年，風化嚴重，雜草叢生，一片破敗之象。近年來，當?shù)貙ζ溥M行了修繕，而在崇教寺中修繕中，便深入應用了三維激光掃描技術(shù)作為輔助工具，可以說為該古建筑的修繕起到了至關重要的幫助。

②修繕測繪中的應用

在古建筑修繕工作中，測繪是其中的重要環(huán)節(jié)，無論是過去還是當下，均需要有一定的數(shù)據(jù)才可進行修繕。應用三維激光掃描技術(shù)等先進輔助技術(shù)前，均是采用較為低效的標尺測繪、人工記錄數(shù)據(jù)，從實際情況來看，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測繪工作存在著測繪難度大、數(shù)據(jù)復雜、無法精確表達重點部分的情況，因此使得修繕工作耗時較長[5]。

自應用三維激光掃描技術(shù)后，古建筑修繕工作的整體效率得到了突飛猛進的提升。在崇教寺大成殿的修繕工作中，工作人員通過實地勘察，于大成殿外設置了6個主要控制點，保障各控制點之間通透可視、相互補充，然后通過激光掃描來獲取大成殿的相關數(shù)據(jù)信息，在這一過程中，可將相對破敗的大成殿看作一個“整體”，然后將獲取的相關數(shù)據(jù)信息構(gòu)建為三維立體模型。

在實際的三維激光掃描技術(shù)應用過程中，保障精度十分重要，而由于大成殿的整體結(jié)構(gòu)復雜，且殿外的環(huán)境也較差，使得測量精度難以保障。經(jīng)過工作人員的反復論證研究，于殿外采用球形標靶和平面標靶，使得激光掃描形成多邊形或三角形，以此來最大限度的獲取相關數(shù)據(jù)信息，同時進行多測掃描、測量，再經(jīng)過復雜的拼接、去噪、抽稀等步驟后逐步形成了較為精細化的三維模型。

我國自古以來在建筑領域就有極高的造詣，這一點從大部分的古建筑中便可以看出。崇教寺大成殿的整體設計便非常精細，各建筑構(gòu)件的精細化程度都非常高。而隨著各種因素的侵蝕，使得各建筑結(jié)構(gòu)的形變、殘損情況較為嚴重，同時因其精細化程度高的影響，使得三維激光掃描技術(shù)的應用難度也有明顯提升[6]。

總之，通過三維激光掃描技術(shù)的應用，可以有效提升數(shù)據(jù)信息的精細化程度，同時，隨著當下新技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)也能夠盡可能的將建筑的材質(zhì)、色彩、細紋紋理表達出來，且當前三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕的應用中，也被應用到了佛香閣、頤和園大戲樓等多個古建筑的修繕中。

③模型信息存檔中的應用

三維激光掃描技術(shù)是一種非常實用的輔助技術(shù)，在古建筑修繕中，具有極高的實效性，在掃描建筑物后通過將數(shù)據(jù)信息進行分析、整合，通過3D MAX或Rebit等軟件的聯(lián)合應用，可生成相應的三維數(shù)字模型，并在每次生成模型后均進行存檔，以此來完成“遺產(chǎn)生命周期”?？傊ㄟ^在古建筑修繕中應用三維激光掃描技術(shù)，可以盡可能的讓古建筑展示其原有的歷史價值。

三、三維激光掃面技術(shù)應用中存在的問題

在正式應用新技術(shù)的之前，有一點需要注意，即古建筑的設計、修繕以及復原從來都不是用技術(shù)和數(shù)據(jù)來進行堆砌的，其當中存在著許多人文和藝術(shù)的內(nèi)涵。傳統(tǒng)的勘察測繪技術(shù)除了對數(shù)據(jù)進行測量以外，更多的是通過人類的視覺以及觸覺來進行感知建筑，那么所有的心得體會都會在之后的古建筑修繕工程中體現(xiàn)出來，這種是軟件模型信息根本不能提供的。那么三維激光掃描技術(shù)的應用所存在的問題如下：

①根據(jù)三維激光掃描系統(tǒng)的掃描原理可以看出，原始的數(shù)據(jù)主要包含著反射鏡在水平方向的旋轉(zhuǎn)角度α、在豎直方向的旋轉(zhuǎn)角度β以及激光反射掃描點到儀器坐標中心的距離s。當外部條件的變化和儀器出現(xiàn)缺陷將會造成不同程度的系統(tǒng)和偶然誤差，經(jīng)過測量所獲得的數(shù)據(jù)存在著大量的游離云點，雖然其可以通過去噪步驟來減少誤差，但是其仍然會對以后的生成的三維模型造成影響[7]。

②當代社會出現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)，其精度能夠高達微米，需要通過Geomagic、Poyworx等工程軟件來進行，由此可以制作出高精度的NERBUS模型，但是該方式所需要的點云數(shù)據(jù)異常的龐大，而且建模的時間也比較長，其不能完全滿足當前一些古建筑保護工程的工期要求[8]。

結(jié)語：古建筑的修繕工作具有一定的復雜性、專業(yè)性，對人力、物力的需求較高，目前，通過三維激光掃描技術(shù)的應用，大大提升了修繕效率及質(zhì)量，本文中便重點探究了三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕中的實際應用，并以崇教寺大成殿的修繕為例，分析了該技術(shù)的應用優(yōu)勢以及其實際應用中存在的問題，望能夠?qū)θS激光掃描技術(shù)的發(fā)展以及對古建筑的修繕工作做出貢獻。