許 睿，李 鑫

（北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

古代木建筑是我國(guó)建筑發(fā)展歷程的重要見(jiàn)證，同時(shí)具有歷史、藝術(shù)和科學(xué)等多方面的研究?jī)r(jià)值，是新建筑設(shè)計(jì)與新藝術(shù)創(chuàng)作的借鑒實(shí)證。隨著信息時(shí)代新技術(shù)的發(fā)展，古建筑測(cè)繪出現(xiàn)了新的可能性，三維激光掃描技術(shù)成為古建筑測(cè)繪的全新方式，它拋棄了原有以二維平面圖紙為切入點(diǎn)的方式，將所有信息直接記錄到空間之中形成三維模型，再提取出二維的平面信息制成圖紙。

已有部分有關(guān)古建筑木構(gòu)件現(xiàn)代保護(hù)方式的研究在進(jìn)行之中。王茹[1-2]側(cè)重于BIM技術(shù)在文物古建筑修繕工作中的應(yīng)用，在基于BIM技術(shù)的文物建筑模型的參數(shù)化研究方面取得了一定的成果；李舒靜[3]針對(duì)GIS技術(shù)開(kāi)展重點(diǎn)研究，從服務(wù)文物保護(hù)工作層面出發(fā)，肯定了BIM技術(shù)可以彌補(bǔ)GIS技術(shù)在建筑單體、建筑構(gòu)件層次的不足，提出了“類型樹(shù)+結(jié)構(gòu)樹(shù)”的新型信息采集方法；劉茂華[4]基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Revit軟件，通過(guò)IFC標(biāo)準(zhǔn)連接，將BIM數(shù)據(jù)與三維GIS數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)、外三維一體化模型的構(gòu)建，主要側(cè)重于現(xiàn)代建筑室內(nèi)、外環(huán)境的融合；石力文[5-6]研究了不同測(cè)繪技術(shù)在尺寸信息留取方面的利弊，并基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立BIM模型來(lái)表達(dá)古建筑全生命周期信息；還有大量學(xué)者[7-10]在此方向上進(jìn)行研究并得出一定成果。

本文對(duì)古建筑木構(gòu)件的三維激光掃描全過(guò)程進(jìn)行研究，產(chǎn)生裝配式木構(gòu)件信息和整體三維斗栱模型，最終通過(guò)信息積累完成木構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，對(duì)于后續(xù)工作具有指導(dǎo)意義。對(duì)古建筑進(jìn)行激光測(cè)繪和三維重構(gòu)，在古建筑保護(hù)方面有很大的利用空間；對(duì)細(xì)部及裝飾受損的斗栱構(gòu)件進(jìn)行原樣記錄，并生成還原度較高的模型，繼而分析因結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力導(dǎo)致的自我破損可能性，預(yù)防其坍塌或損毀；對(duì)典型斗栱構(gòu)件的尺寸、木種、搭接方式等進(jìn)行記錄，作為與建筑或構(gòu)件相匹配的留存檔案。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取斗栱模型作為研究對(duì)象，利用三維激光掃描儀進(jìn)行對(duì)象的掃描實(shí)驗(yàn)，獲取高精度的三維激光掃描模型和詳盡的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后通過(guò)軟件平臺(tái)處理優(yōu)化掃描結(jié)果，生成最終的數(shù)字化三維模型文件并存檔保留（圖1）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

斗栱是中國(guó)古建筑特有的一種木構(gòu)件（圖2）。對(duì)古建筑木構(gòu)件來(lái)說(shuō)，斗栱整體內(nèi)部構(gòu)件有各個(gè)分類，拼裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力等各方面均體現(xiàn)了古代的科學(xué)理論，具有保護(hù)研究?jī)r(jià)值。模型構(gòu)件參照營(yíng)造法式的記載，用宋式“五輔作單抄單昂柱頭輔作偷心造”斗栱為例，整理出一整套宋式斗栱的尺寸樣式模板，再通過(guò)激光切割機(jī)和人工打磨等多重工序，用原始木料制作出各個(gè)構(gòu)件。制作出等比例斗栱構(gòu)件，共23個(gè)單體，包括櫨斗、散斗、交互斗、泥道拱、泥道慢栱、華栱、內(nèi)檐令拱、外檐令拱、內(nèi)檐耍頭、外檐耍頭、柱頭枋、內(nèi)檐羅漢枋、襯頭枋、下昂。根據(jù)自下而上的掃描順序進(jìn)行編號(hào)處理，1～23的數(shù)字編號(hào)方式利于同種構(gòu)件的區(qū)分和后續(xù)的查閱。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)外接設(shè)備：HandySCAN-700便攜式3D掃描儀。設(shè)備工作原理：掃描儀不斷對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光，投射到對(duì)象上的激光隨對(duì)象形狀發(fā)生變形，在掃描時(shí)，攝像頭拍攝該形狀并開(kāi)始計(jì)算，自動(dòng)生成表面，最終形成完整的掃描模型。HandySCAN-7003D掃描儀詳細(xì)參數(shù)。掃描原件：CDD。掃描范圍：0.1～4 m。掃描介質(zhì)：立體物品。掃描速度：480 000次測(cè)量/秒。掃描光源：7束交叉激光線。激光類型：2級(jí)（對(duì)人眼安全）。儀器尺寸：122 mm×77 mm×294 mm。儀器質(zhì)量：0.85 kg。儀器接口：USB3.0。儀器精度：最高0.03 mm。工作溫度：5～40℃。工作濕度：10%～90%。拼接模式：手動(dòng)/全自動(dòng)拼接。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備銜接軟件：VXelements軟件平臺(tái)。軟件與掃描儀器相連接進(jìn)行實(shí)時(shí)的表面生成運(yùn)算，可在軟件平臺(tái)及時(shí)觀測(cè)掃描成果。此外還應(yīng)觀察細(xì)節(jié)性的不足與漏洞，以便及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。最終通過(guò)平臺(tái)保存成果性的STL點(diǎn)云文件，為后續(xù)分析工作提供數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)室利用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建出斗栱木構(gòu)件的三維點(diǎn)云模型。三維激光掃描儀可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行細(xì)致掃描操作，將各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)直接完整采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型并獲取各種制圖數(shù)據(jù)。

1.4.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象處理

在掃描實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，木構(gòu)件定位由三角實(shí)時(shí)測(cè)量確定，因此掃描儀無(wú)須任何外部定位系統(tǒng)。由于三角測(cè)量本身具有定位功能，在掃描前必須對(duì)每個(gè)木構(gòu)件進(jìn)行預(yù)先處理，在木構(gòu)件的表面做反射標(biāo)記，利用參照物與木構(gòu)件上的固定點(diǎn)位反射標(biāo)記，三角測(cè)量功能可在體積和空間上提供掃描儀和木構(gòu)件的相對(duì)位置（圖3）。根據(jù)原理和實(shí)際情況，本次實(shí)驗(yàn)選取黑色輪廓標(biāo)點(diǎn)作為空間定位標(biāo)記，將標(biāo)記的點(diǎn)片粘貼到各個(gè)構(gòu)件的不同面。

定位點(diǎn)在粘貼過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)：①標(biāo)點(diǎn)可使系統(tǒng)在空間自定位且必須應(yīng)用于平坦表面，例如平面或者大面積的曲面；②標(biāo)點(diǎn)與邊之間的距離最好為12 mm以上。面積過(guò)小時(shí)可在環(huán)境中粘貼輔助標(biāo)志點(diǎn)；③標(biāo)志點(diǎn)之間的距離為2～10 mm，任意3點(diǎn)都不是正三角形關(guān)系；④掃描物體在移動(dòng)時(shí)，應(yīng)保證有4個(gè)相對(duì)固定的公共點(diǎn)位可提供空間相對(duì)位置。

1.4.2 掃描獲取數(shù)據(jù)

(1)掃描儀校準(zhǔn)（圖4）。VXelements軟件平臺(tái)包含用于優(yōu)化掃描儀校準(zhǔn)的應(yīng)用程序，將掃描儀連接上后通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)板的掃描，可利用該應(yīng)用程序優(yōu)化校準(zhǔn)，完成初步調(diào)試。

(2)掃描儀配置（圖5）。由于每個(gè)被掃描物體表面反射屬性不同，需要調(diào)節(jié)參數(shù)，以獲得激光線的最佳探測(cè)。根據(jù)待掃描對(duì)象的掃描表面類型來(lái)配置激光功率和攝像頭快門(mén)時(shí)間。

(3)激光掃描。HandySCAN-7000掃描儀在調(diào)試完畢后，被用于進(jìn)行三維激光掃描工作（圖6、圖7）。掃描將激光投射到構(gòu)件表面并緩慢穩(wěn)定的移動(dòng)儀器。通過(guò)激光在掃描對(duì)象表面的攝像頭探測(cè)，不斷形成表面模型，再通過(guò)之前黏附在木構(gòu)件表面的標(biāo)靶點(diǎn)形成空間上的定位；穩(wěn)定移動(dòng)掃描儀，表面模型獲取范圍不斷增加，最終形成一個(gè)與掃描木構(gòu)件等比例的三維空間點(diǎn)云模型。

第一，合理規(guī)劃兩種放置情況。要對(duì)物體進(jìn)行全方位的掃描，應(yīng)在頂部與四周掃描完成后，改變物體放置方式，翻轉(zhuǎn)后補(bǔ)充掃描底面，兩個(gè)擺放位置的掃描路徑恰好是兩個(gè)互補(bǔ)的半球面，從而確保物體表面都被掃描覆蓋。

第二，將一整圈合理劃分為4個(gè)連續(xù)區(qū)域，角度0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°。依次對(duì)這4個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描，在完成第4個(gè)270°～360°角度區(qū)域后再與第一個(gè)0°～90°角度區(qū)域進(jìn)行銜接，以保證掃描的延續(xù)性。在此過(guò)程中不斷提升高度，從圓形環(huán)帶逐步形成半球面的掃描范圍（圖8）。

第三，翻轉(zhuǎn)掃描對(duì)象，將第二步重復(fù)進(jìn)行一次，完成表面缺失部分的掃描。

第四，查看掃描結(jié)果并補(bǔ)充，通過(guò)VXelements軟件平臺(tái)查看掃描實(shí)時(shí)結(jié)果的完成度，如有掃描遺漏或不完善部分，可以及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充完善。

(4)編輯輸出。在VXelements軟件平臺(tái)內(nèi)在編輯掃描的操作中框選刪除明顯雜質(zhì)，完成初步編輯來(lái)減輕后續(xù)工作。最后將模型的空間網(wǎng)格導(dǎo)出，存儲(chǔ)為STL格式文件，留存有三維的空間表面模型和各類數(shù)據(jù)信息。

1.5 文件保存

將所有的掃描內(nèi)容經(jīng)過(guò)VXelements軟件平臺(tái)的初步處理，最后留存有23個(gè)小型木構(gòu)架的掃描模型和一個(gè)整體斗栱的掃描模型，一共24個(gè)STL格式的文件，這些文件作為重要的過(guò)程資料應(yīng)該得到保留，以防備在后繼出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以在步驟中發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行彌補(bǔ)。

2 結(jié)果處理與分析

2.1 結(jié)果處理

前期的掃描已經(jīng)生成初步的STL格式三維掃描模型，共有1個(gè)整體模型和23個(gè)木構(gòu)件模型，這些文件只是經(jīng)過(guò)基本的處理，還需要更加系統(tǒng)的整理優(yōu)化。后續(xù)利用到Geomagic Wrap3D建模數(shù)據(jù)處理軟件，將掃描結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化和處理。

2.1.1 處理流程

由于對(duì)保留結(jié)果的高精度要求，經(jīng)過(guò)軟件處理后的點(diǎn)云模型的會(huì)更加細(xì)致。具體的操作流程分為點(diǎn)階段、點(diǎn)云注冊(cè)、多邊形階段、導(dǎo)出文件4個(gè)階段，并在各個(gè)階段下進(jìn)行多個(gè)細(xì)節(jié)性操作。

2.1.1.1 點(diǎn)階段

以斗栱整體的掃描結(jié)果為例進(jìn)行此階段的敘述。①著色點(diǎn)：為了更加清晰、方便地觀察點(diǎn)云形狀，將斗拱表面點(diǎn)云進(jìn)行著色，還原木質(zhì)形象。②統(tǒng)一采樣：在保留物體原來(lái)面貌的同時(shí)減少點(diǎn)云數(shù)量，便于刪除重疊點(diǎn)云、稀釋點(diǎn)云。③減少噪點(diǎn)：該命令有助于減少在掃描中的噪音點(diǎn)到最小，更好地表現(xiàn)真實(shí)的斗栱形狀。④體外孤點(diǎn)：該命令表示選擇任何超出指定移動(dòng)限制的點(diǎn)，去除孤立的點(diǎn)云從而保留斗栱本身。⑤非連接項(xiàng)：該命令表示選擇偏離主點(diǎn)云的數(shù)據(jù)。⑥聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象：該命令可將多個(gè)點(diǎn)云模型聯(lián)合為一個(gè)點(diǎn)云，便于后續(xù)的采樣、封裝等。⑦封裝：該命令將點(diǎn)轉(zhuǎn)換成三角面（圖9）。

2.1.1.2 點(diǎn)云注冊(cè)

①手動(dòng)注冊(cè)：將23個(gè)木構(gòu)件同時(shí)導(dǎo)入，尋找共有位置點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)將兩片點(diǎn)云進(jìn)行簡(jiǎn)單的手動(dòng)對(duì)齊拼接。②全局注冊(cè)：對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重定義對(duì)齊，通過(guò)軟件利用點(diǎn)位自動(dòng)對(duì)齊。③合并：將多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接封裝為一個(gè)多邊形單體模型（圖10）。

2.1.1.3 多邊形階段

以1號(hào)構(gòu)件櫨斗為例進(jìn)行此階段的敘述。①填充孔：填充未封閉的孔洞，掃描完成后櫨斗邊角位置有很多的孔洞，進(jìn)行填充及修補(bǔ)；②松弛/砂紙：松弛針對(duì)整個(gè)模型將表面的小三角面處理平整，而砂紙用于局部的材質(zhì)凹凸優(yōu)化使其更加接近真實(shí)效果；③去除特征：刪除選擇的多余三角形，或者去除特殊部分，盡量只保留櫨斗本體；④網(wǎng)格醫(yī)生：自動(dòng)修復(fù)多邊形網(wǎng)格內(nèi)的所有問(wèn)題，例如大量三角面形成的釘狀物或自相交面；⑤編輯邊界：修改多邊形模型的邊界；⑥簡(jiǎn)化：減少三角面的數(shù)量但不影響曲面的形狀或顏色，可以大大減小文件的無(wú)效數(shù)據(jù)量（圖11）。

2.1.1.4 導(dǎo)出文件

通過(guò)以上步驟完成對(duì)掃描數(shù)據(jù)的處理，在管理器面板中右鍵點(diǎn)擊模型，選擇“保存”，彈出保存對(duì)話框，輸入文件名，保存類型選擇STL或其他格式，點(diǎn)擊保存按鈕即可完成模型導(dǎo)出（圖12）。

2.1.2 處理結(jié)果

初步的掃描結(jié)果通過(guò)Geomagic Wrap軟件平臺(tái)得到細(xì)致的加工，得出完善的STL格式封裝文件，作為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息化文件保存下來(lái)。整體模型經(jīng)過(guò)處理，各種漏洞得到填補(bǔ)，不同因素造成的孤點(diǎn)得到清理，附著雜點(diǎn)得到刪除，最終留存下一個(gè)完整的斗栱實(shí)物掃描STL成果文件（圖13）。分解掃描的木構(gòu)件相較于整體模型得到同樣處理的同時(shí)，還進(jìn)行了各個(gè)木構(gòu)件在軟件平臺(tái)內(nèi)的拼接搭建，按照實(shí)體的搭建方式將數(shù)據(jù)模型融合在一起，形成一個(gè)更加細(xì)致合理的虛擬斗栱整體模型。兩種整體各有優(yōu)勢(shì)，整體掃描可以完整記錄實(shí)體的情況，從而方便文物研究；虛擬的搭建模型則可以為后續(xù)的研究提供搭接的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)保護(hù)修繕的最優(yōu)化處理。

2.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)整體過(guò)程結(jié)束，留存大量的STL格式的三維激光掃描文件，對(duì)于斗栱形成了系統(tǒng)且詳盡的數(shù)據(jù)信息化記錄，是一次較為完整的古建筑木構(gòu)件三維掃描實(shí)驗(yàn)。結(jié)果及過(guò)程中對(duì)之前了解的三維掃描進(jìn)行了很好的實(shí)例驗(yàn)證，也通過(guò)具體操作反思了過(guò)程中的不足和欠缺，為進(jìn)一步推進(jìn)指明了方向。

2.2.1 優(yōu)勢(shì)論證

(1)非接觸式測(cè)量的巨大優(yōu)勢(shì)。本次實(shí)驗(yàn)選取宋式斗栱木構(gòu)件，肢體觸碰過(guò)程的汗?jié)n侵蝕以及標(biāo)尺的不斷晃動(dòng)，必然會(huì)對(duì)材質(zhì)的表面造成磨損，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。三維激光掃描只需要遠(yuǎn)距離的測(cè)繪即可，不會(huì)對(duì)掃描木構(gòu)件產(chǎn)生破壞。對(duì)于一些場(chǎng)地?zé)o法靠近或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜角度刁鉆的高難度古建保護(hù)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這一新型技術(shù)手段克服了其中的困難。

(2)完整記錄三維信息。全站儀結(jié)合近景攝影測(cè)量的方式能夠?qū)崿F(xiàn)文物的數(shù)字化，但無(wú)法精確全面地將文物信息記錄下來(lái)，三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，記錄的信息在精度和密度上都有所提升，而且形成具象的斗栱三維表面模型，為后續(xù)的破損改善工作提供數(shù)據(jù)支持。

(3)精確定位并記錄構(gòu)件的材料紋理與表面破損（圖14、圖15）。手動(dòng)人工測(cè)量結(jié)合正向數(shù)據(jù)建模，這種方式只能做出體積等大體上的信息記錄。通過(guò)三維激光掃描，能夠?qū)⒛緲?gòu)件的表面風(fēng)化程度等細(xì)節(jié)性信息都完整記錄下來(lái)，能夠掃描原始木料本身的破損位置和程度。上述問(wèn)題能夠在三維表面模型中空間定位并展示，是古建筑保護(hù)的重要細(xì)節(jié)性信息。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程反思

(1)掃描過(guò)程的規(guī)范化操作。由于是手持掃描儀，掃描對(duì)象是體量較小的木構(gòu)件，掃描過(guò)程中對(duì)于手的穩(wěn)定程度有著極高的要求，同時(shí)激光攝入角度和掃描儀工作距離等各類因素都會(huì)影響激光的投放射入與數(shù)據(jù)的回收采集，微小誤差就會(huì)造成大量體外雜點(diǎn)和表面漏洞，甚至導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)的紊亂和工作量的增加，仍需不斷地總結(jié)掃描過(guò)程中的操作經(jīng)驗(yàn)，找到合理的掃描方式。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與常用幾何模型的完全對(duì)接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)整理后形成三維掃描模型的STL文件，留存有空間具象的木構(gòu)架信息，但是現(xiàn)階段工程項(xiàng)目中還是以平立剖等傳統(tǒng)圖紙為主要使用工具。所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型文件和幾何模型文件的對(duì)接十分關(guān)鍵，將二者之間的橋梁打通，能夠方便地將STL與DWG、SKP等類型文件在同一平臺(tái)內(nèi)完成自由切換，減去不同處理軟件切換的復(fù)雜過(guò)程，才能讓三維激光掃描真正的應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中去。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著新興技術(shù)的融入，古建筑保護(hù)方式開(kāi)始轉(zhuǎn)變。木構(gòu)件信息化是古建筑保護(hù)發(fā)展的必經(jīng)之路，三維激光掃描技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)化信息模型正是改變古建筑保護(hù)方式的開(kāi)端。通過(guò)對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集技術(shù)進(jìn)行研究，以期將其銜接到古建筑木構(gòu)件的信息化處理過(guò)程中去，并對(duì)古建筑保護(hù)工作起到一定的指導(dǎo)作用。

(2)三維激光掃描如今仍處于初始階段，掃描過(guò)程中的高效率和高精度是關(guān)鍵。在進(jìn)行掃描時(shí)，可利用深色背景吸收激光射線，從而隱藏掉木構(gòu)件之外的雜質(zhì)。掃描過(guò)程最后需要對(duì)棱角處進(jìn)行補(bǔ)充掃描，以保證掃描結(jié)果的完整性，需要類似經(jīng)驗(yàn)性問(wèn)題進(jìn)行不斷總結(jié)，以便使掃描結(jié)果更加高效精準(zhǔn)。

(3)通過(guò)三維激光掃描測(cè)繪得出信息化結(jié)果文件，這些文件留存的數(shù)據(jù)信息極其重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保留的同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行研究，使其在古建筑保護(hù)工作的各個(gè)過(guò)程中充分發(fā)揮作用。例如，古建正逆向建模、古建筑BIM應(yīng)用、古建筑裝配式、結(jié)構(gòu)分析預(yù)測(cè)、古建筑智能建造和古建筑3D打印等。