泰來三維| 三維激光測繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史建筑三維空間信息的完整記錄

一、背景
二十一世紀(jì)以來，隨著歷史文化保護(hù)需求的迅速增長，高效便捷的數(shù)字化測繪技術(shù)逐漸進(jìn)入各國歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)者的視野，在眾多歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目中發(fā)揮著越來越大的作用，其中應(yīng)用最廣的當(dāng)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(jìn)行全面測繪，為文物修繕工程提供了詳實(shí)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(jìn)行了精細(xì)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。
二、什么是三維激光掃描？
簡單說來，對建筑進(jìn)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。
三、三維激光掃描的原理
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(gè)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(jì)算激光反射的時(shí)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
三維激光掃描采集回來的點(diǎn)云是分散的一個(gè)個(gè)空間模型，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、拼接、降噪、誤差修正等一系列數(shù)據(jù)處理工序，便可得到一個(gè)完整的建筑三維點(diǎn)云模型。
四、三維激光測量的歷史發(fā)展
“全站儀測量是20世紀(jì)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(jì)的技術(shù)。
五、三維激光測量的應(yīng)用領(lǐng)域
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。
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：
1、優(yōu)勢一：數(shù)據(jù)更精確
歷史建筑多為修建于明清或民國時(shí)期的磚木、磚混建筑，年代久遠(yuǎn)，使用時(shí)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(shí)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(shí)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(hù)需求，不利于歷史建筑的保護(hù)。
三維激光掃描：三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度可達(dá)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(shí)可信。
2、優(yōu)勢二：檔案更完整
歷史建筑是傳統(tǒng)風(fēng)貌的重要代表，具有豐富的結(jié)構(gòu)形式及裝飾細(xì)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(gè)空間方向的尺寸信息，由于歷史建筑細(xì)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(shí)施。
三維激光掃描：只需合理設(shè)置現(xiàn)場掃描站點(diǎn)、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(fù)測繪。
3、優(yōu)勢三：采集更高效
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(dòng)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(dòng)，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(dòng)化、非接觸式的特點(diǎn)，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(xiǎn)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)。
六、三維激光測繪成果可以怎么用？
在歷史建筑數(shù)字化保護(hù)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(jì)算機(jī)處理，轉(zhuǎn)化成建筑圖紙、三維點(diǎn)云模型等，為歷史建筑的檔案建設(shè)、日常維護(hù)、建筑修繕、活化設(shè)計(jì)、展示宣傳等提供全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
1：應(yīng)用于檔案建設(shè)
三維激光測繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史建筑三維空間信息的完整記錄，這是僅靠基礎(chǔ)信息表與二維的現(xiàn)狀照片、建筑圖紙等圖像資料無法實(shí)現(xiàn)的，基礎(chǔ)信息表、二維圖像與三維點(diǎn)云模型共同構(gòu)成了歷史建筑的多維信息檔案，突破了傳統(tǒng)檔案的二維界限，對歷史建筑現(xiàn)狀信息的記錄更完整、更精確。此外，建檔工作者可從三維點(diǎn)云模型上輕松判讀出歷史建筑的建筑形制、結(jié)構(gòu)、價(jià)值要素分布情況、保存情況等信息，輔助基礎(chǔ)信息表、建筑圖紙等其他歷史建筑檔案資料的制作與整理。
2：應(yīng)用于管理監(jiān)
三維激光測繪的數(shù)據(jù)可作為歷史建筑日常管理監(jiān)督的工作依據(jù)。在日常管理中，若發(fā)現(xiàn)歷史建筑有違規(guī)加改建嫌疑，可調(diào)取其三維點(diǎn)云模型與現(xiàn)狀照片進(jìn)行比對，即可快速判斷建筑現(xiàn)狀是否與建檔時(shí)相符，避免出現(xiàn)因檔案照片不全或圖紙檔案未記錄等原因造成的誤判，大大提升歷史建筑的監(jiān)管工作效率與準(zhǔn)確性
3：應(yīng)用于建筑修繕與活化
以三維點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)可繪制歷史建筑的高精度測繪圖紙，清晰表達(dá)建筑的價(jià)值特征、空間尺寸、結(jié)構(gòu)形變、殘損情況等，作為建筑修繕維護(hù)工程與活化改造方案的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
基于高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑測繪圖準(zhǔn)確記錄復(fù)雜的建筑改建情況，為建筑修繕提供可靠基礎(chǔ)資料
4：應(yīng)用于展示宣傳
三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過裁剪、抽稀等一系列可視化數(shù)據(jù)處理，制作成可視化的三維點(diǎn)云模型，結(jié)合三維點(diǎn)云在線瀏覽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)歷史建筑點(diǎn)云模型的在線互動(dòng)展示，開拓歷史建筑數(shù)字化宣傳展示的新方向。珠海是歷史建筑數(shù)字化展示的先行者之一，后續(xù)我們將推出珠海歷史建筑電子手繪地圖，引領(lǐng)讀者們親自體驗(yàn)一番有如帶著透視眼鏡看建筑的奇妙之旅。
三維激光掃描與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)在歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的潛力，等待遺產(chǎn)保護(hù)者們進(jìn)一步探索發(fā)掘。隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化測繪技術(shù)也在不斷更新迭代，讓我們期待數(shù)字化測繪技術(shù)在不久的將來能有更亮眼的表現(xiàn)。

審核編輯 黃宇