歷史建筑的數(shù)字化保存研究*
——以浙江金華蘭溪市竹林彝倫堂為例

鄧虹 吳寧 許若奇

衢州學(xué)院 浙江 衢州 324000

引言

歷史建筑的數(shù)字化保存，又稱(chēng)實(shí)景復(fù)制，其具有非接觸式、高效率和高精度的特點(diǎn)[1-2]。在歷史文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保存方面，鑒于歷史建筑的不可再生性，歷史建筑數(shù)字化存檔已成為當(dāng)下古建筑保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，本研究以浙江省金華蘭溪市竹林彝倫堂歷史建筑為例，結(jié)合本案的復(fù)雜建筑環(huán)境，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)采集該建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，探討歷史建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理，并對(duì)其數(shù)字化保存方式進(jìn)行研究和實(shí)踐。

1 數(shù)字化保存技術(shù)

數(shù)字化保存技術(shù)是基于相位式測(cè)距原理，通過(guò)三維激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)每秒百萬(wàn)激光點(diǎn)照射，再由均勻旋轉(zhuǎn)的反射棱鏡將激光脈沖信號(hào)引導(dǎo)至物體表面點(diǎn)，信號(hào)經(jīng)物體表面反射后由接收器接收，通過(guò)測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間，計(jì)算測(cè)點(diǎn)與掃描儀的距離S，同時(shí)角度編碼器同步計(jì)算確立目標(biāo)點(diǎn)xyz三維坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的高分辨率數(shù)字影像和紋理照片采集[3]。

選定三維激光掃描儀的架設(shè)站點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分點(diǎn)掃描，各站點(diǎn)匯聚的海量采樣點(diǎn)的集合，稱(chēng)為“點(diǎn)云”[4]。海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成清晰的三維模型，該模型反映了目標(biāo)物最原始的面貌，有助于提取目標(biāo)的構(gòu)造線(xiàn)、面、體和空間位置等關(guān)鍵參數(shù)，將現(xiàn)狀高度還原，可用于歷史建筑維護(hù)改造和建筑圖繪制。

2 歷史建筑的數(shù)字化保存

本次歷史建筑數(shù)字化保存實(shí)踐研究，采用德國(guó)Z+F三維激光掃描儀和大疆無(wú)人機(jī)，將歷史建筑的各個(gè)細(xì)節(jié)以及周邊環(huán)境高度還原。配套相應(yīng)的Z+F軟件系統(tǒng)，可達(dá)到數(shù)據(jù)處理高效率、數(shù)據(jù)采集高精度、成果應(yīng)用多樣化的效果。歷史建筑的數(shù)字化保存可分為以下四個(gè)步驟。

2.1 三維激光掃描儀和無(wú)人機(jī)外業(yè)準(zhǔn)備

Z+F三維掃描儀一臺(tái)、無(wú)人機(jī)一臺(tái)、平板電腦（或手機(jī)）一臺(tái)、筆記本電腦一臺(tái)，外業(yè)人員到現(xiàn)場(chǎng)勘探，布置掃描站點(diǎn)。每個(gè)站點(diǎn)之間掃描范圍必須要相互疊加，且站點(diǎn)數(shù)不宜過(guò)多。無(wú)人機(jī)用于建筑第五立面和細(xì)部構(gòu)件的掃描。

2.2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在采集歷史建筑物正立面時(shí)，采用左、中、右3個(gè)方位設(shè)站掃描采集數(shù)據(jù)，方便后期點(diǎn)云拼接。

2.3 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Z+F專(zhuān)業(yè)軟件，拼接還原整個(gè)建筑模型，流程分為導(dǎo)入測(cè)站數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)拼接、去噪和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

2.4 歷史建筑圖紙繪制

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Auto-CADReCap，創(chuàng)建點(diǎn)云投影文件，對(duì)建筑模型進(jìn)行切割，露出結(jié)構(gòu)和空間，便于建筑圖紙的繪制。

3 浙江金華蘭溪市竹林彝倫堂的數(shù)字化保存

3.1 竹林彝倫堂的現(xiàn)狀情況

竹林彝倫堂位于浙江金華蘭溪市竹林村，為清代遺存，占地約266.5m2。2018年竹林彝倫堂被公布為蘭溪第二批重點(diǎn)歷史保護(hù)建筑。該建筑坐北朝南，兩進(jìn)四天井，傳統(tǒng)木構(gòu)承重，主次入口設(shè)置在南立面兩端，建筑東、西立面設(shè)馬頭墻。天井地面為卵石鋪砌，屋頂為黑色板瓦覆蓋，建筑木構(gòu)用料較為纖細(xì)。

該歷史建筑主體是穿斗式結(jié)構(gòu)，建筑整體格局完整，風(fēng)貌協(xié)調(diào)，空間信息繁多，細(xì)部尺寸繁復(fù)以及構(gòu)件密集。具體表現(xiàn)為：①建筑屋頂造型較復(fù)雜，四坡屋頂，屋頂四周翼角輕盈起翹，東西立面設(shè)有徽派建筑風(fēng)格的馬頭墻；②屋頂出檐不深，但附屬構(gòu)件層層遮擋；③大木作多使用自然材等異形構(gòu)件，例如特色構(gòu)建月梁和木雕雀替（如圖1所示）。

圖1 竹林村彝倫堂屋架月梁（圖片來(lái)源：作者自攝）

3.2 竹林彝倫堂的掃描站點(diǎn)架設(shè)

建筑內(nèi)仍維持自然采光，室內(nèi)照度、亮度值較低，且不均勻分布，沿屋檐至里呈逐漸衰減趨勢(shì)。建筑內(nèi)光線(xiàn)不足，影響建筑內(nèi)部測(cè)繪工作。為獲取高質(zhì)量的掃描數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)多次測(cè)驗(yàn)和踏勘，最終架設(shè)站點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

3.2.1 多方位布設(shè)測(cè)站位置。由于歷史建筑的內(nèi)外光線(xiàn)環(huán)境差別較大、結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)雜，因此需要多方位布置測(cè)站點(diǎn)。在水平和垂直方位，根據(jù)建筑出檐大小、屋面坡度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等因素，綜合考慮所有站點(diǎn)對(duì)整個(gè)建筑的測(cè)量。

3.2.2 相鄰站點(diǎn)位置的優(yōu)化。相鄰站點(diǎn)之間的設(shè)置應(yīng)該考慮疊加量。站點(diǎn)與站點(diǎn)之間的疊加量不小于1/3，以防建筑物和構(gòu)建之間的相互遮擋。同時(shí)又要避免站點(diǎn)數(shù)過(guò)多，增加工作量[5]。

3.2.3 借助無(wú)人機(jī)，補(bǔ)測(cè)三維激光掃描儀站點(diǎn)架設(shè)難度屋頂和細(xì)部構(gòu)建區(qū)域。設(shè)置屋頂位置的站點(diǎn)何古建筑構(gòu)建的站點(diǎn)，分別用無(wú)人機(jī)和三維激光掃描儀操作，最終還原整個(gè)建筑以及周邊環(huán)境。

3.3 竹林彝倫堂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

根據(jù)竹林彝倫堂空間分布和屋頂出檐的特點(diǎn)，將掃描區(qū)域分為建筑內(nèi)部、建筑外檐下和建筑屋頂三部分分別掃描。

建筑室內(nèi)。由于建筑進(jìn)深和面闊較小，為避免梁架對(duì)山墻和殿內(nèi)檐下雀替等構(gòu)建的遮擋，建筑內(nèi)部7處掃描測(cè)站呈“魚(yú)骨狀”分布。

建筑天井。四個(gè)天井分別架設(shè)一個(gè)站點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整站點(diǎn)在天井中位置，獲得最大掃描范圍。如W20站點(diǎn)控制性?huà)呙杞ㄖ鞅眳^(qū)域，測(cè)站W(wǎng)10則從檐下采集雀替的細(xì)節(jié)信息，避免構(gòu)件的遮擋。

建筑外屋頂。與傳統(tǒng)借助升降平臺(tái)進(jìn)行三維激光掃描儀的站點(diǎn)架設(shè)不同，本實(shí)踐研究配合無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)四面坡屋頂?shù)臒o(wú)遮擋掃描。無(wú)人機(jī)對(duì)建筑物的環(huán)繞飛行，避免了樹(shù)木對(duì)歷史建筑北立面的遮擋。在傳統(tǒng)掃描技術(shù)上做補(bǔ)充升級(jí)，更加完整的還原建筑第五立面。

3.4 竹林彝倫堂的掃描數(shù)據(jù)處理

受目標(biāo)體的表面反射誤差、掃描過(guò)程中的偶然誤差等因素影響，數(shù)字點(diǎn)云模型包含非目標(biāo)建筑的噪聲點(diǎn)，增大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、降低了建模效率和精度。因此后期以人工交互為主，對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行刪噪操作。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)去噪濾波操作后，數(shù)據(jù)大量縮減，模型更加輕便。

將同步拍攝的高清紋理照片作為材質(zhì)賦予點(diǎn)云，得到竹林彝倫堂的真實(shí)場(chǎng)景還原模型。圖3和圖4為竹林彝倫堂平面、剖面三維點(diǎn)云。建筑細(xì)部構(gòu)建的大樣圖通過(guò)無(wú)人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的復(fù)原，圖5為雀替大樣圖，構(gòu)件的絕對(duì)誤差值在1～4mm間，滿(mǎn)足古建筑模型精細(xì)化建立的要求?；诠沤ㄖc(diǎn)云模型的量測(cè)數(shù)據(jù)精度優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)繪方式，且原場(chǎng)景復(fù)刻的數(shù)字化模型能為后期修繕工作提供詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。

圖3 竹林彝倫堂一層平面三維點(diǎn)云（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖4 竹林彝倫堂剖面三維點(diǎn)云（圖片來(lái)源：作者自繪）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以清代歷史建筑金華蘭溪市竹林彝倫堂為例，闡述了三維激光掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全流程，實(shí)現(xiàn)了建筑數(shù)字信息模型的復(fù)刻，為復(fù)雜古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整精準(zhǔn)獲取和模型建立提供了新思路。歷史建筑數(shù)字化模型以構(gòu)建大樣為基本單元，展現(xiàn)了歷史建筑的營(yíng)造技術(shù)，為歷史建筑的預(yù)防性保護(hù)和修繕提供技術(shù)支撐。