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摘 要： 本文深入研究古建筑三维数字化测绘的应用方法与流程，论证了三维激光扫描技术在木质古建筑保护中的认知和分析功能;通过对渭源灞陵桥的三维数据采集、各项预处理、利用点云数据构建物体三维模型研究当前三维数字化技术在古建筑现状测绘中的应用方法及问题。
关键词： 古建筑;激光扫描技术;数字化保护
自20世纪30年代初，我国就已经开始了文物的保护工作，所以，不仅文物保护的工作经验较为丰富，而且文物保护相关的法制也比较健全，并且在一些重大问题处理方面，都能够形成一致的意见。然而，在实际运行的过程中，文物保护工作中的古建筑作为一个新的研究性课题，就目前发展的情况来看，还需要较长的时间进行验证。这也是因为古建筑基本上都暴露在露天的自然环境之中，长期受到外界因素的干扰，入暴雨侵蚀、温度变化、风沙侵蚀，以及酸雨侵蚀等等，尤其是近些年工业化发展速度加快，工业污染和气候变化带来的影响更为严重，导致劣化速度越来越快，古建筑遭受损害的面积越来越大。因此，不仅要加强古建筑的科学性和合理性保护，而且还要最大限度的延长古建筑的存活寿命，这也是文物保护工作刻不容缓的任务之一。[3]
3D地面激光扫描技术是古迹改造和古迹保护的一个可靠和有利的方法。这种技术的精度，速度和灵活性普遍得到承认。三维激光扫描技术的的一個重要功能是分析由计算表面点与参考点之间的差异得到的形变图，其结果基于遥感测量和几何分析同时考虑建筑物不同阶段的历史信息对所研究建筑物的原始结构提供一个合理的假设。这项技术可解决梁、柱形变等技术难点，因此，在此项研究中，采取3D激光扫描仪进行三维数字化。
甘肃渭源灞陵桥是以发源于甘肃的伸臂梁，结合虹桥式木拱建成的美丽的桥梁。[1]灞陵桥始建于明洪武年间（1368-1398年），全长40米，从两岸向跨中以四层悬臂梁伸出，跨度27米。[2]渭源灞陵桥为全国独一无二的木质伸臂叠梁虹桥，是力学和美学的完美结合，其在中国乃至世界桥梁技术史上都起着非常重要的承上启下的作用，更在甘肃和整个丝绸之路经济带木质古建筑中独具代表性，固本项目以渭源灞陵桥为例。
一、目前国内外研究的现状和趋势
在古建筑项目保护过程中，大修工程主要是以“不改变文物原状”为根本原则，所以，在古建筑项目修缮之前，必须要将古建筑的原貌记录下来，并且还要为其制定完整、精确地维修方案。然而，传统的修缮工艺无法满足古建筑原貌恢复的所有测量数据，特别是像坡屋顶曲线囊度这种复杂的数值。[3]二十世纪九十年代，三维激光扫描技术的出现，不仅为空间三维信息的有效获取提供了新的技术手段，而且也克服了传统测量技术上存在的局限性，通过采用非接触、主动测量的方式获取准确的三维坐标，在此期间，完全突破了时间和空间方面的限制，对一切可见物进行扫描，形成清晰地三维视图，最终，通过计算机对三维视图进行处理，将其转化为数据信息据。[4]3D扫描技术的大发展促进了考古和文化遗产的数字化保存，包括数字归档，3D线图，虚拟复原和虚拟显示四个主要的应用。该技术出现以来已被应用于世界各大古迹数字化保护及修复，如：希腊雅典帕台农神庙西侧雕带就采用的是三维激光扫描及数字化装配，在三维扫描仪的作用下，获得的相关数据，对其综合性评估之后，所体现出来的特征，对已经被分散的帕台农神庙西侧雕带进行数字化装配复原，该项目得到了建筑师和艺术史学家的高度认可。除此之外还有意大利博洛尼亚达古修宫数字化保护，波斯尼亚金字塔三维激光扫描等古迹保护和发掘项目。
中国古建筑相较于西方古建筑无论材质和结构上都有很大差异，中国古建筑大都采用木质大架，相对于石质构架更易形变和损毁，而且中国古建筑构件更为复杂，彩画、雕刻更为精细，就此而言三维激光扫描仪是更加适合的测绘仪器。故宫建筑群是中国古建筑的代表，2004年故宫博物院联合北京建筑工程学院开始“故宫数字化保护工程”项目。2011年在“故宫数字化保护工程”项目的基础上采用更先进仪器进行了“故宫古建筑数字化测绘”以人工测量、二维影像和三维扫描三大方式，研究了以测绘图纸结合二维影像为主、扫描点云数据为辅形成三维模型重建的关键技术并取得了一定的成果。除此之外近年来国内各部门利用三维激光扫描仪完成了多项大型文物古建筑保护工程，如：“山西西溪二仙庙三维扫描工程”;“承德普乐寺场景数字化工程”;马寺齐云塔三维激光扫描重建工作”等。
二、本项研究的思路与方法
本项目主要工作有三维数据采集、加工和整理存储，包括数据的采集方法、点云数据的预处理方法、数据在古建筑测绘中的利用方法等在内的各项研究工作也随之同步展开。
三维数字化工作流程图
（一）数据的采集
1.控制网布设
为了对灞陵桥进行多方位观测，使得各个方向的观测数据在同一个测量坐标系内，以提高测量精度同时方便数据比对，需要在桥周围布设控制网。控制网为以后控制点的保存及信息管理提供基础。
2.三维激光扫描
①扫描站点布设：扫描站点布设需要考虑到各个站点之间的互补性，相邻站点的通视性，站点覆盖的全面性等多个方面。②标靶布设：多个站点云数据的准确性，都需要根据标靶的布置情况进行确定。此项工作也可用同名点、面匹配来代替。③扫描分辨率设置考虑到灞陵桥彩画、书法牌匾及其精细构件的扫描将分辨率拟设为1mm。
3.数字影像的获取
数字影像的获取主要就是对拍摄角度、图幅大小、图像分辨率等进行研究的。所以，在进行数字影像获取期间，要尽可能的坚持正射影像图像素完整性的根本原则。因此，通常数字影像的获取是通过带有云台的手持式和机载式的摄像机来完成的。另外，需要对拍摄地区的古建筑物做一个整体的立面划分，并且保证划分期间，不仅要求相邻照片必须要有五分之一的重叠，而且还要对景深差异较大的地方，单独进行有效的划分。
（二）点云数据的预处理 就当前的数据处理软件发展的情况来看，在点云的平滑去噪、整体配准和精简环节之中，自身都存在已经相对较为成熟的，并且能够满足该项目保护的要求，所以，对古建筑修缮项目采用点云数据的预处理是必然的。
（1）点云数据的去噪和平滑。三维激光扫描仪在进行数据采集的过程中，所得点云都会因为周边环境等方面因素的影响出现一定的噪声点，或者是不属于古建筑物本身的数据。所以，为了进一步保障三维建模数据的实效性，不仅要提高模型的精确度，而且还要对点云数据做好去噪、平滑方面的工作处理，当然，该处理环节能够实现自动判别是最佳的处理办法。
（2）点云数据的整体配准。在我国五千年的历史长河中，古建筑经历了几千年的发展，古建筑结构渐渐复杂化、大型化、规模化，在进行点云数据的整体配准的期间，需要从多个视角对其进行扫描。只有经过配准之后形成的点云整体模型，才能成为后期修缮古建筑项目的基础性数据。所以，必要的点云数据的整体配准研究是必要的。
（3）点云数据的精简。虽然三维激光扫描本身就具备测量精度高、速度快得优势，但是，三维激光扫描自身也存在覆盖连续性差、数据量大等方面的缺陷，因为庞大的数据量不仅导致后续的数据处理工作庞大且繁杂，而且极容易因为某环节的失误，造成后续环节无法正常运行。
（三）三维模型的构建
1.三角网模型
三角网模型主要是以点云数据为基础，通过将设定距离值范围内的，并且每相邻三点之间构成一个平面的方式，自動构建起被测古建筑物的三角网模型，并且由其将不规则的物体呈现出来。
2.三角网模型的纹理映射
三角网模型的纹理映射指的就是要将原有的三维模型还原，而还原环节中，最为关键的就是三维立体模型表面与二维纹理图像之间的一一对应关系，并且按照一定的算法将二维纹理图像映射到三维立体模型上的一种技术。
三、三维模型的应用
可根据文物保护部门需求完成线状剖面图和平面图制作，正射影像图制作，梁、柱变形分析等工作。
参考文献：
[1]茅以升.中国古桥技术史[M].北京出版社，1986，5：118-119.
[2]李亚东.桥梁工程概论[M].西南交通大学出版社，2006，1：11.
[3]王莫.三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究[J].故宫博物院院刊，2011，6：143-163.
[4]朱光.三维激光扫描测量技术探究及应用[J].模具工程，2009，4.
关键词： 古建筑;激光扫描技术;数字化保护
自20世纪30年代初，我国就已经开始了文物的保护工作，所以，不仅文物保护的工作经验较为丰富，而且文物保护相关的法制也比较健全，并且在一些重大问题处理方面，都能够形成一致的意见。然而，在实际运行的过程中，文物保护工作中的古建筑作为一个新的研究性课题，就目前发展的情况来看，还需要较长的时间进行验证。这也是因为古建筑基本上都暴露在露天的自然环境之中，长期受到外界因素的干扰，入暴雨侵蚀、温度变化、风沙侵蚀，以及酸雨侵蚀等等，尤其是近些年工业化发展速度加快，工业污染和气候变化带来的影响更为严重，导致劣化速度越来越快，古建筑遭受损害的面积越来越大。因此，不仅要加强古建筑的科学性和合理性保护，而且还要最大限度的延长古建筑的存活寿命，这也是文物保护工作刻不容缓的任务之一。[3]
3D地面激光扫描技术是古迹改造和古迹保护的一个可靠和有利的方法。这种技术的精度，速度和灵活性普遍得到承认。三维激光扫描技术的的一個重要功能是分析由计算表面点与参考点之间的差异得到的形变图，其结果基于遥感测量和几何分析同时考虑建筑物不同阶段的历史信息对所研究建筑物的原始结构提供一个合理的假设。这项技术可解决梁、柱形变等技术难点，因此，在此项研究中，采取3D激光扫描仪进行三维数字化。
甘肃渭源灞陵桥是以发源于甘肃的伸臂梁，结合虹桥式木拱建成的美丽的桥梁。[1]灞陵桥始建于明洪武年间（1368-1398年），全长40米，从两岸向跨中以四层悬臂梁伸出，跨度27米。[2]渭源灞陵桥为全国独一无二的木质伸臂叠梁虹桥，是力学和美学的完美结合，其在中国乃至世界桥梁技术史上都起着非常重要的承上启下的作用，更在甘肃和整个丝绸之路经济带木质古建筑中独具代表性，固本项目以渭源灞陵桥为例。
一、目前国内外研究的现状和趋势
在古建筑项目保护过程中，大修工程主要是以“不改变文物原状”为根本原则，所以，在古建筑项目修缮之前，必须要将古建筑的原貌记录下来，并且还要为其制定完整、精确地维修方案。然而，传统的修缮工艺无法满足古建筑原貌恢复的所有测量数据，特别是像坡屋顶曲线囊度这种复杂的数值。[3]二十世纪九十年代，三维激光扫描技术的出现，不仅为空间三维信息的有效获取提供了新的技术手段，而且也克服了传统测量技术上存在的局限性，通过采用非接触、主动测量的方式获取准确的三维坐标，在此期间，完全突破了时间和空间方面的限制，对一切可见物进行扫描，形成清晰地三维视图，最终，通过计算机对三维视图进行处理，将其转化为数据信息据。[4]3D扫描技术的大发展促进了考古和文化遗产的数字化保存，包括数字归档，3D线图，虚拟复原和虚拟显示四个主要的应用。该技术出现以来已被应用于世界各大古迹数字化保护及修复，如：希腊雅典帕台农神庙西侧雕带就采用的是三维激光扫描及数字化装配，在三维扫描仪的作用下，获得的相关数据，对其综合性评估之后，所体现出来的特征，对已经被分散的帕台农神庙西侧雕带进行数字化装配复原，该项目得到了建筑师和艺术史学家的高度认可。除此之外还有意大利博洛尼亚达古修宫数字化保护，波斯尼亚金字塔三维激光扫描等古迹保护和发掘项目。
中国古建筑相较于西方古建筑无论材质和结构上都有很大差异，中国古建筑大都采用木质大架，相对于石质构架更易形变和损毁，而且中国古建筑构件更为复杂，彩画、雕刻更为精细，就此而言三维激光扫描仪是更加适合的测绘仪器。故宫建筑群是中国古建筑的代表，2004年故宫博物院联合北京建筑工程学院开始“故宫数字化保护工程”项目。2011年在“故宫数字化保护工程”项目的基础上采用更先进仪器进行了“故宫古建筑数字化测绘”以人工测量、二维影像和三维扫描三大方式，研究了以测绘图纸结合二维影像为主、扫描点云数据为辅形成三维模型重建的关键技术并取得了一定的成果。除此之外近年来国内各部门利用三维激光扫描仪完成了多项大型文物古建筑保护工程，如：“山西西溪二仙庙三维扫描工程”;“承德普乐寺场景数字化工程”;马寺齐云塔三维激光扫描重建工作”等。
二、本项研究的思路与方法
本项目主要工作有三维数据采集、加工和整理存储，包括数据的采集方法、点云数据的预处理方法、数据在古建筑测绘中的利用方法等在内的各项研究工作也随之同步展开。
三维数字化工作流程图
（一）数据的采集
1.控制网布设
为了对灞陵桥进行多方位观测，使得各个方向的观测数据在同一个测量坐标系内，以提高测量精度同时方便数据比对，需要在桥周围布设控制网。控制网为以后控制点的保存及信息管理提供基础。
2.三维激光扫描
①扫描站点布设：扫描站点布设需要考虑到各个站点之间的互补性，相邻站点的通视性，站点覆盖的全面性等多个方面。②标靶布设：多个站点云数据的准确性，都需要根据标靶的布置情况进行确定。此项工作也可用同名点、面匹配来代替。③扫描分辨率设置考虑到灞陵桥彩画、书法牌匾及其精细构件的扫描将分辨率拟设为1mm。
3.数字影像的获取
数字影像的获取主要就是对拍摄角度、图幅大小、图像分辨率等进行研究的。所以，在进行数字影像获取期间，要尽可能的坚持正射影像图像素完整性的根本原则。因此，通常数字影像的获取是通过带有云台的手持式和机载式的摄像机来完成的。另外，需要对拍摄地区的古建筑物做一个整体的立面划分，并且保证划分期间，不仅要求相邻照片必须要有五分之一的重叠，而且还要对景深差异较大的地方，单独进行有效的划分。
（二）点云数据的预处理 就当前的数据处理软件发展的情况来看，在点云的平滑去噪、整体配准和精简环节之中，自身都存在已经相对较为成熟的，并且能够满足该项目保护的要求，所以，对古建筑修缮项目采用点云数据的预处理是必然的。
（1）点云数据的去噪和平滑。三维激光扫描仪在进行数据采集的过程中，所得点云都会因为周边环境等方面因素的影响出现一定的噪声点，或者是不属于古建筑物本身的数据。所以，为了进一步保障三维建模数据的实效性，不仅要提高模型的精确度，而且还要对点云数据做好去噪、平滑方面的工作处理，当然，该处理环节能够实现自动判别是最佳的处理办法。
（2）点云数据的整体配准。在我国五千年的历史长河中，古建筑经历了几千年的发展，古建筑结构渐渐复杂化、大型化、规模化，在进行点云数据的整体配准的期间，需要从多个视角对其进行扫描。只有经过配准之后形成的点云整体模型，才能成为后期修缮古建筑项目的基础性数据。所以，必要的点云数据的整体配准研究是必要的。
（3）点云数据的精简。虽然三维激光扫描本身就具备测量精度高、速度快得优势，但是，三维激光扫描自身也存在覆盖连续性差、数据量大等方面的缺陷，因为庞大的数据量不仅导致后续的数据处理工作庞大且繁杂，而且极容易因为某环节的失误，造成后续环节无法正常运行。
（三）三维模型的构建
1.三角网模型
三角网模型主要是以点云数据为基础，通过将设定距离值范围内的，并且每相邻三点之间构成一个平面的方式，自動构建起被测古建筑物的三角网模型，并且由其将不规则的物体呈现出来。
2.三角网模型的纹理映射
三角网模型的纹理映射指的就是要将原有的三维模型还原，而还原环节中，最为关键的就是三维立体模型表面与二维纹理图像之间的一一对应关系，并且按照一定的算法将二维纹理图像映射到三维立体模型上的一种技术。
三、三维模型的应用
可根据文物保护部门需求完成线状剖面图和平面图制作，正射影像图制作，梁、柱变形分析等工作。
参考文献：
[1]茅以升.中国古桥技术史[M].北京出版社，1986，5：118-119.
[2]李亚东.桥梁工程概论[M].西南交通大学出版社，2006，1：11.
[3]王莫.三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究[J].故宫博物院院刊，2011，6：143-163.
[4]朱光.三维激光扫描测量技术探究及应用[J].模具工程，2009，4.