歷史建筑數(shù)字化保護的新工具——三維激光掃描技術(shù)
發(fā)布日期：2023-06-30
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二十一世紀以來，隨著歷史文化保護需求的迅速增長，高效便捷的數(shù)字化測繪技術(shù)逐漸進入各國歷史文化遺產(chǎn)保護者的視野，在眾多歷史文化遺產(chǎn)保護項目中發(fā)揮著越來越大的作用，其中應(yīng)用最廣的當數(shù)三維激光掃描技術(shù)。故宮博物院利用三維激光掃描技術(shù)對太和殿等國寶古建筑進行全面測繪，為文物修繕工程提供了詳實的現(xiàn)狀信息；甘肅敦煌研究院以三維激光掃描技術(shù)結(jié)合全景照相技術(shù)對敦煌石窟進行了精細測繪與三維重建，建立了讓世界驚艷的數(shù)字敦煌博物館；法國巴黎圣母院的大火震驚全球，但不幸中之萬幸，教堂在焚毀前曾做過全面的三維激光掃描，建立了完整的建筑數(shù)字模型，為教堂的重建提供了不可替代的數(shù)據(jù)支撐。
北京故宮文物建筑三維點云模型
巴黎圣母院三維點云模型（來源：網(wǎng)絡(luò)）
簡單說來，對建筑進行三維激光掃描就像是為建筑拍X光片，把建筑的現(xiàn)狀完整記錄下來，為管理者、建筑師等提供精確的建筑現(xiàn)狀檔案。
“建筑X光片”點云數(shù)據(jù)（左）與人體X光片（右）
三維激光掃描的技術(shù)原理是通過三維激光掃描儀向各個方向發(fā)射出激光，激光遇到障礙物（如建筑的墻體、地面、天花等）之后反射回掃描儀，掃描儀通過計算激光反射的時間即可獲得掃描儀與障礙物之間的距離，從而獲得所在空間界面的三維模型，這個三維模型是由眾多激光反射點組成的點的集合，就像由眾多細小水滴組成云朵一樣，稱為點云（point cloud）。
三維激光掃描儀工作原理小視頻
珠海歷史建筑三維點云模型（梅松吳公祠）
“全站儀測量是20世紀80年代的技術(shù)，GPS測量是90年代的技術(shù)，而三維激光測量是21世紀的技術(shù)?！?/span>
——徠卡公司（Leica Geosystems）前任總裁H.Hess
光學測量的發(fā)展——從一維到三維
三維激光測繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋地形測量、路橋測量、建筑測量、設(shè)備測量、管線測量、文物測量等，大到山川地勢、小至鍋碗瓢盆，均可以一一記錄。
阿爾卑斯山脈三維點云模型（Christophe Girot, TEDxZurich，2017）
文物石獅三維點云模型（fyworkshop）
三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)的人工測繪與基于全站儀、測距儀等的早期數(shù)字化測繪技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢，具體包括以下三方面：
歷史建筑多為修建于明清或民國時期的磚木、磚混建筑，年代久遠，使用時間較長，多存在結(jié)構(gòu)變形或構(gòu)件殘損的情況，歷史建筑的測繪檔案應(yīng)該真實記錄建筑的“不完美”現(xiàn)狀。
傳統(tǒng)人工測量：完全依賴于人工現(xiàn)場操作與肉眼判斷，數(shù)據(jù)精確度難以保證，且無法直觀測量建筑的三維變形，在繪制建筑測繪圖時容易出現(xiàn)“人為修正”的現(xiàn)象，掩蓋了建筑現(xiàn)存的隱患與維護需求，不利于歷史建筑的保護。
三維激光掃描：三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)精度可達到毫米級，歷史建筑的各種微小形變均可精確記錄，測繪成果更真實可信。
歷史建筑是傳統(tǒng)風貌的重要代表，具有豐富的結(jié)構(gòu)形式及裝飾細節(jié)，建筑空間及構(gòu)件尺寸等信息繁多。
傳統(tǒng)人工測量與全站儀測量：每次只能量取一處構(gòu)件或一個空間方向的尺寸信息，由于歷史建筑細節(jié)眾多，難免出現(xiàn)漏測，不利于后續(xù)的建筑圖紙繪制及工程方案實施。
三維激光掃描：只需合理設(shè)置現(xiàn)場掃描站點、避免遮擋，即可一次性完整采集建筑物室內(nèi)外空間尺寸信息（所見即所得），滿足歷史建筑測繪檔案的完整性要求，減少重復測繪。
歷史建筑多為使用中的祠廟、民居、文教建筑、工商業(yè)建筑等，測繪工作應(yīng)盡量減少對建筑使用活動的干擾。
傳統(tǒng)人工測量：一般需現(xiàn)場工作1-2天，且作業(yè)人員在建筑內(nèi)外頻繁走動，在一定程度上影響居民群眾的正常生活生產(chǎn)。
三維激光掃描：三維激光掃描技術(shù)具有自動化、非接觸式的特點，2-3分鐘即可完成單站數(shù)據(jù)的采集，0.5-1天即可完成一座傳統(tǒng)民居的現(xiàn)場測量，工作效率提升50%以上，大大降低了對建筑使用的干擾。此外，三維激光掃描的方式不需要搭建腳手架即可輕松完成高處與危險結(jié)構(gòu)的測量，適應(yīng)各種現(xiàn)場作業(yè)條件，能較好應(yīng)對不同環(huán)境條件情況下的歷史建筑測繪任務(wù)。
在珠海歷史建筑數(shù)字化保護工作中，我們將三維激光掃描收集的歷史建筑現(xiàn)狀數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理，轉(zhuǎn)化成建筑圖紙、三維點云模型等，為歷史建筑的檔案建設(shè)、日常維護、建筑修繕、活化設(shè)計、展示宣傳等提供全面而準確的數(shù)據(jù)支撐。
珠海歷史建筑三維激光測繪的成果及應(yīng)用
三維激光掃描準確記錄復雜的建筑改建情況（珠海歷史建筑寶臣唐公祠，紅色部分為原建筑結(jié)構(gòu)，黃色部分為后期改建結(jié)構(gòu)。）
基于高精度點云數(shù)據(jù)的建筑測繪圖準確記錄復雜的建筑改建情況，為建筑修繕提供可靠基礎(chǔ)資料（珠海歷史建筑寶臣唐公祠）
珠海歷史建筑三維點云模型在線展示（民興米機舊址）
應(yīng)用案例
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