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摘要：在河南汝州风穴寺塔林的保护中，运用三维激光扫描技术获取了高精度古塔的三维点云数据，完整的构造了古塔的三维模型，对古塔的倾斜及整体的损坏情况进行分析，对古塔的保护具有重要的指导意义。
关键词：风穴寺塔林；三维激光扫描；保护
河南风穴寺建于东汉初平元年，位于汝州市城东九公里的嵩山少室南麓，风穴寺塔林原有寺僧墓塔一百多座，由于自然和人为的破坏，现上塔林遗存12座，下塔林遗存61座。1988年1月，“风穴寺暨塔林”以其重要的历史和文化研究价值成为了第三批国家重点文物保护单位。该遗址位于旷野当中，环境变化较大，对遗址的影响也极大，如果没有合理的保护，遗址会损毁不存。因此，“风穴寺暨塔林”最重要的一个问题是如何进行科学的保护和展示。为了有效的实现塔林结构和形态的数字化，可以采用三维激光扫描技术，用三维扫描技术采集的三维数据能够精确地重构古塔的真实状态 ，同时若遇到古塔被意外破坏的情况，这些被完整记录下来的三维数据能够帮助古塔进行修复和完善工作。
1、遗址概况
风穴寺东倚龙山，西偎黄麓（山），北靠玉皇（山），南眺汝水。风穴寺创建于北魏，称香积寺，唐代扩建并更名白云寺，俗称风穴寺。明、清两代对寺内建筑有所修缮和增建。风穴寺塔林原有寺僧墓塔一百多座，由于自然和人为的破坏，现上塔林遗存元塔1座，明塔10座，无法确定年代砖塔1座（共计12座）。下塔林遗存元塔5座，明塔19座，无法确定年代砖塔33座，现代后建和尚墓塔4座（共计61座），塔林编号及平面位置见图1.1～图1.2。
2、病害现状
风穴寺塔体由于各种自然和人为原因整体上保存完好，部分塔出现变形破坏现象，见图2.1～图2.4。
根据现场调查，风穴寺塔林目前破坏的类型主要以下几种：浸水破坏、风化破坏、植物破坏、人为破坏。
3、三维激光扫描技术在古塔测绘中的优势
与传统测绘方法相比较，三维激光扫描技术有以下三种优势：（1）高精度。通过三维激光扫描技术获得的都是目标物的三维空间信息，而传统的测绘方式获得的都是二维平面图，两者相比，三维激光扫描技术的精度更高，不仅可以显示目标物的细节、结构甚至可以知道目标物的材质。（2）高效率。扫描仪的操作简单，并且扫描速度快，外业采集的工作效率提高很多，节省了人力、物力。（3）适应性强。三维激光扫描仪对环境的依赖小，可以在复杂环境中进行测量工作。
4、三维激光扫描收集古塔信息
4.1仪器介绍
本工程采用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪。RIEGL VZ-2000 作为具备实时波形处理技术的V系列三维激光扫描仪，其激光发射频率高达1MHz，扫描速度高达240线/秒，扫描仪的最大测量距离超过2000米，并且延用了RIEGL其他扫描仪对人眼安全的一级激光。VZ-2000能够在能见度较低的情况下使用，比如沙尘、霧天、雨天、雪天等，并且可以进行多重目标回波的识别，在多种工程领域广泛使用，见图4.1。
4.2三维激光扫描的实施与数据处理
4.2.1现场查勘
现场踏勘是进行扫描前的必要准备，踏勘的目的是要绘制出现场草图，这不仅需要注意目标物的周围环境和外观特点，更需要确定目标物的空间位置。然后在现场草图上按照需要扫描的精度和分辨率大概确定扫描站的位置和数量，并画出控制网草图。其中上塔林扫描了两座塔，共设置了9个扫描站，在下塔林，共设置了15个扫描站。
4.2.2控制网布设
在此次工程中，采用独立坐标系布设控制网，由于需要扫描的塔体的数量较多，一共布置了24个扫描站，为方便扫描，用钢钉在每个扫描站做上标志。此次工程先找4个距离适中的点布设了1条闭合导线，假定一点坐标，再使用全站仪测出其他点坐标、高程。
4.2.3标靶的布设
在扫描前需要在扫描区域内布设多个标靶，标靶不能布设在一条直线上，并且至少要有3个公共标靶在两相邻扫描站之间，每个标靶应尽可能多的与扫描站通视，这样会方便点云数据的拼接。
4.2.4古塔的扫描
4.2.4.1三维激光扫描仪的架设
将三维激光扫描仪架设在控制点上，对中、调平，在邻近控制点上布置标靶作为后视点，用 COM 口连接笔记本和扫描仪，启动扫描仪电源后进行自检，当自检结束后，使用 riscanpro软件，建立存放点云数据的数据库，设置笔记本的IP，笔记本和扫描仪是通过 scanner 选项下的 connect 建立联系。
4.2.4.2影像获取
COM口的前进方向就是扫描仪获取影像时的零方向，框选出标靶位置和扫描区域的大概范围，利用扫描仪内部的数码相机，通过 Image 操作，得到标靶的影像和扫描区域的影像。
4.2.4.3扫描仪的定向
在riscanpro软件中的field setup中依次输入仪器高度、标靶高测、站点坐标和后视点坐标，框选后视点标靶的范围，点击acquire定向，点击calculate调节定向精度，点击ADD将定向结果应用于这次扫描中。
4.2.4.4古塔扫描
依照工程要求，设定分辨率。本次工程设置的分辨率是距离10米，点云间隔2×2mm，框选所要扫描的区域，扫描仪自动扫描并且完成后自动存储数据，然后换站。根据以上步骤进行下一站的扫描，直至完成全部工作。
4.2.4.5数据处理
扫描完成后，获取大量的点云数据，完整的塔林建筑的点云数据是通过对大量点云数据进行去噪、多站拼接处理来获取的，由于塔林中树丛及杂草等遮挡，造成了塔林点云数据的缺失与不完整，为后续的处理带来麻烦[8-9]。
三维模型的构建是在得到单个佛塔点云数据后，通过CAD软件建立的。为了更加精细的表达佛塔表面结构，拟合表面需要密度较高的点云数据（见表4.1）。塔林扫描成果图见图4.2～图4.5。 4.1 处理后每个塔的点云数据大小及模型大小
（单位：兆M）
5、三维激光扫描数据的分析
通过三维激光扫描获取的点云数据可以实现对整个项目的监测，通过处理后构建塔的三维模型可以得到塔体的变形破坏特性以及塔林本体的倾斜情况（见表5.1），为后期的稳定性评估及加固措施的研究提供了可靠的依据。
根据塔体的偏移角度判断塔体的倾斜情况。根据三维激光扫描获得的点云数据，塔的偏移角度的计算方法如下：先将塔底的点云数据进行水平切片，形成四边形，找出四边形的中心点，并过该中心点作垂线段，在塔顶处进行水平切片，找出塔顶处四边形的中心点，连接塔底和塔顶两个中心点，两个中心点的连线与垂线的夹角即为塔的偏移角度。计算简图见图5.1、图5.2。
最后可以分时段对塔林的点云数据进行采集，从而分析对比不同期塔林点云数据，从而对塔林中塔的损毁过程进行动态的模拟与仿真，有利于完整记录下塔的变化。
6、结束语
（1）计算机技术的突飞猛进促進了三维激光扫描技术的不断发展，并且在古建筑的测绘与保护工作中被不断运用。三维激光扫描技术能够为古建筑的保护、修缮和重建工作提供高精度、完整的空间数据信息，该技术能够记录目标物每一点的空间信息，获得点云数据，根据点云数据能够对目标物进行数字化分析和构建三维模型，并且能够在三维模型上进行各种量测。
（2）通过三维激光扫描仪技术获取的点云数据构建的模型精度较高，可以得到风穴寺塔林较为精确的表面模型。
（3）根据三维激光扫描技术获得的全面数据，本文分析出了古塔的倾斜度、尺寸、裂纹等信息
（4）利用获得的数据可构建塔林的三维立体模型，实现了塔林的三维重建和数字化保存。
参考文献：
[1] 常法亮.汝州风穴寺始建年代探赜[J].中原文物，2011（06）：62-67.
[2]本刊编辑部.第三批全国重点文物保护单位（河南部分）介绍（ 一）[J].中原文物，1988（03）：92-96.
[3]殷振峰.汝州风穴寺建筑艺术研究[D].河南：郑州大学，2013.
[4]马艳.三维激光扫描技术在彩绘陶器保护中的应用[J].中原文物，2014，19（05）：115-117.
[5]杨蔚青，李永强，王阁，白丁.三维激光扫描技术在土遗址保护中的应用[J].中原文物，2012（04）：98-101.
[6]马晓.汝州风穴寺悬钟阁研究[J].建筑学报，2011（S2）：86-89.
[7]李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].陕西：长安大学，2012.
[8]余明，丁辰，过静珺.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学，2004（05）： 69-70.
[9]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京：南京理工大学，2006.
[10]高志国.地面三维激光扫描数据处理及建模研究[D].西安：长安大学，2010.
[11]巧丽.基于点云数据的塑像三维建模[D].上海： 同济大学，2009.
（作者单位：河南省文物建筑保护研究院）
关键词：风穴寺塔林；三维激光扫描；保护
河南风穴寺建于东汉初平元年，位于汝州市城东九公里的嵩山少室南麓，风穴寺塔林原有寺僧墓塔一百多座，由于自然和人为的破坏，现上塔林遗存12座，下塔林遗存61座。1988年1月，“风穴寺暨塔林”以其重要的历史和文化研究价值成为了第三批国家重点文物保护单位。该遗址位于旷野当中，环境变化较大，对遗址的影响也极大，如果没有合理的保护，遗址会损毁不存。因此，“风穴寺暨塔林”最重要的一个问题是如何进行科学的保护和展示。为了有效的实现塔林结构和形态的数字化，可以采用三维激光扫描技术，用三维扫描技术采集的三维数据能够精确地重构古塔的真实状态 ，同时若遇到古塔被意外破坏的情况，这些被完整记录下来的三维数据能够帮助古塔进行修复和完善工作。
1、遗址概况
风穴寺东倚龙山，西偎黄麓（山），北靠玉皇（山），南眺汝水。风穴寺创建于北魏，称香积寺，唐代扩建并更名白云寺，俗称风穴寺。明、清两代对寺内建筑有所修缮和增建。风穴寺塔林原有寺僧墓塔一百多座，由于自然和人为的破坏，现上塔林遗存元塔1座，明塔10座，无法确定年代砖塔1座（共计12座）。下塔林遗存元塔5座，明塔19座，无法确定年代砖塔33座，现代后建和尚墓塔4座（共计61座），塔林编号及平面位置见图1.1～图1.2。
2、病害现状
风穴寺塔体由于各种自然和人为原因整体上保存完好，部分塔出现变形破坏现象，见图2.1～图2.4。
根据现场调查，风穴寺塔林目前破坏的类型主要以下几种：浸水破坏、风化破坏、植物破坏、人为破坏。
3、三维激光扫描技术在古塔测绘中的优势
与传统测绘方法相比较，三维激光扫描技术有以下三种优势：（1）高精度。通过三维激光扫描技术获得的都是目标物的三维空间信息，而传统的测绘方式获得的都是二维平面图，两者相比，三维激光扫描技术的精度更高，不仅可以显示目标物的细节、结构甚至可以知道目标物的材质。（2）高效率。扫描仪的操作简单，并且扫描速度快，外业采集的工作效率提高很多，节省了人力、物力。（3）适应性强。三维激光扫描仪对环境的依赖小，可以在复杂环境中进行测量工作。
4、三维激光扫描收集古塔信息
4.1仪器介绍
本工程采用RIEGL VZ-2000三维激光扫描仪。RIEGL VZ-2000 作为具备实时波形处理技术的V系列三维激光扫描仪，其激光发射频率高达1MHz，扫描速度高达240线/秒，扫描仪的最大测量距离超过2000米，并且延用了RIEGL其他扫描仪对人眼安全的一级激光。VZ-2000能够在能见度较低的情况下使用，比如沙尘、霧天、雨天、雪天等，并且可以进行多重目标回波的识别，在多种工程领域广泛使用，见图4.1。
4.2三维激光扫描的实施与数据处理
4.2.1现场查勘
现场踏勘是进行扫描前的必要准备，踏勘的目的是要绘制出现场草图，这不仅需要注意目标物的周围环境和外观特点，更需要确定目标物的空间位置。然后在现场草图上按照需要扫描的精度和分辨率大概确定扫描站的位置和数量，并画出控制网草图。其中上塔林扫描了两座塔，共设置了9个扫描站，在下塔林，共设置了15个扫描站。
4.2.2控制网布设
在此次工程中，采用独立坐标系布设控制网，由于需要扫描的塔体的数量较多，一共布置了24个扫描站，为方便扫描，用钢钉在每个扫描站做上标志。此次工程先找4个距离适中的点布设了1条闭合导线，假定一点坐标，再使用全站仪测出其他点坐标、高程。
4.2.3标靶的布设
在扫描前需要在扫描区域内布设多个标靶，标靶不能布设在一条直线上，并且至少要有3个公共标靶在两相邻扫描站之间，每个标靶应尽可能多的与扫描站通视，这样会方便点云数据的拼接。
4.2.4古塔的扫描
4.2.4.1三维激光扫描仪的架设
将三维激光扫描仪架设在控制点上，对中、调平，在邻近控制点上布置标靶作为后视点，用 COM 口连接笔记本和扫描仪，启动扫描仪电源后进行自检，当自检结束后，使用 riscanpro软件，建立存放点云数据的数据库，设置笔记本的IP，笔记本和扫描仪是通过 scanner 选项下的 connect 建立联系。
4.2.4.2影像获取
COM口的前进方向就是扫描仪获取影像时的零方向，框选出标靶位置和扫描区域的大概范围，利用扫描仪内部的数码相机，通过 Image 操作，得到标靶的影像和扫描区域的影像。
4.2.4.3扫描仪的定向
在riscanpro软件中的field setup中依次输入仪器高度、标靶高测、站点坐标和后视点坐标，框选后视点标靶的范围，点击acquire定向，点击calculate调节定向精度，点击ADD将定向结果应用于这次扫描中。
4.2.4.4古塔扫描
依照工程要求，设定分辨率。本次工程设置的分辨率是距离10米，点云间隔2×2mm，框选所要扫描的区域，扫描仪自动扫描并且完成后自动存储数据，然后换站。根据以上步骤进行下一站的扫描，直至完成全部工作。
4.2.4.5数据处理
扫描完成后，获取大量的点云数据，完整的塔林建筑的点云数据是通过对大量点云数据进行去噪、多站拼接处理来获取的，由于塔林中树丛及杂草等遮挡，造成了塔林点云数据的缺失与不完整，为后续的处理带来麻烦[8-9]。
三维模型的构建是在得到单个佛塔点云数据后，通过CAD软件建立的。为了更加精细的表达佛塔表面结构，拟合表面需要密度较高的点云数据（见表4.1）。塔林扫描成果图见图4.2～图4.5。 4.1 处理后每个塔的点云数据大小及模型大小
（单位：兆M）
5、三维激光扫描数据的分析
通过三维激光扫描获取的点云数据可以实现对整个项目的监测，通过处理后构建塔的三维模型可以得到塔体的变形破坏特性以及塔林本体的倾斜情况（见表5.1），为后期的稳定性评估及加固措施的研究提供了可靠的依据。
根据塔体的偏移角度判断塔体的倾斜情况。根据三维激光扫描获得的点云数据，塔的偏移角度的计算方法如下：先将塔底的点云数据进行水平切片，形成四边形，找出四边形的中心点，并过该中心点作垂线段，在塔顶处进行水平切片，找出塔顶处四边形的中心点，连接塔底和塔顶两个中心点，两个中心点的连线与垂线的夹角即为塔的偏移角度。计算简图见图5.1、图5.2。
最后可以分时段对塔林的点云数据进行采集，从而分析对比不同期塔林点云数据，从而对塔林中塔的损毁过程进行动态的模拟与仿真，有利于完整记录下塔的变化。
6、结束语
（1）计算机技术的突飞猛进促進了三维激光扫描技术的不断发展，并且在古建筑的测绘与保护工作中被不断运用。三维激光扫描技术能够为古建筑的保护、修缮和重建工作提供高精度、完整的空间数据信息，该技术能够记录目标物每一点的空间信息，获得点云数据，根据点云数据能够对目标物进行数字化分析和构建三维模型，并且能够在三维模型上进行各种量测。
（2）通过三维激光扫描仪技术获取的点云数据构建的模型精度较高，可以得到风穴寺塔林较为精确的表面模型。
（3）根据三维激光扫描技术获得的全面数据，本文分析出了古塔的倾斜度、尺寸、裂纹等信息
（4）利用获得的数据可构建塔林的三维立体模型，实现了塔林的三维重建和数字化保存。
参考文献：
[1] 常法亮.汝州风穴寺始建年代探赜[J].中原文物，2011（06）：62-67.
[2]本刊编辑部.第三批全国重点文物保护单位（河南部分）介绍（ 一）[J].中原文物，1988（03）：92-96.
[3]殷振峰.汝州风穴寺建筑艺术研究[D].河南：郑州大学，2013.
[4]马艳.三维激光扫描技术在彩绘陶器保护中的应用[J].中原文物，2014，19（05）：115-117.
[5]杨蔚青，李永强，王阁，白丁.三维激光扫描技术在土遗址保护中的应用[J].中原文物，2012（04）：98-101.
[6]马晓.汝州风穴寺悬钟阁研究[J].建筑学报，2011（S2）：86-89.
[7]李宝瑞.地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D].陕西：长安大学，2012.
[8]余明，丁辰，过静珺.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学，2004（05）： 69-70.
[9]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京：南京理工大学，2006.
[10]高志国.地面三维激光扫描数据处理及建模研究[D].西安：长安大学，2010.
[11]巧丽.基于点云数据的塑像三维建模[D].上海： 同济大学，2009.
（作者单位：河南省文物建筑保护研究院）