歷史建筑數(shù)字化保護(hù)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(jì)以來(lái)，隨著歷史文化保護(hù)需求的迅速增長(zhǎng)，高效便捷的數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)逐漸進(jìn)入各國(guó)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(lái)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(duì)太和殿等國(guó)寶古建筑進(jìn)行全面測(cè)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(duì)敦煌石窟進(jìn)行了精細(xì)測(cè)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(guó)巴黎圣母院的大火震驚全球，但不幸中之萬(wàn)幸，教堂在焚毀前曾做過(guò)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(diǎn)云模型
巴黎圣母院三維點(diǎn)云模型（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，對(duì)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(lái)，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(diǎn)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(guò)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(guò)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，從而獲得所在空間界面的三維模型，這個(gè)三維模型是由眾多激光反射點(diǎn)組成的點(diǎn)的集合，就像由眾多細(xì)小水滴組成云朵一樣，稱(chēng)為點(diǎn)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(diǎn)云模型（梅松吳公祠）
“全站儀測(cè)量是20世紀(jì)80年代的技術(shù)，GPS測(cè)量是90年代的技術(shù)，而三維激光測(cè)量是21世紀(jì)的技術(shù)。”
——徠卡公司（Leica Geosystems）前任總裁H.Hess
光學(xué)測(cè)量的發(fā)展——從一維到三維
三維激光測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涵蓋地形測(cè)量、路橋測(cè)量、建筑測(cè)量、設(shè)備測(cè)量、管線測(cè)量、文物測(cè)量等，大到山川地勢(shì)、小至鍋碗瓢盆，均可以一一記錄。
阿爾卑斯山脈三維點(diǎn)云模型（Christophe Girot, TEDxZurich，2017）
文物石獅三維點(diǎn)云模型（fyworkshop）
三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的人工測(cè)繪與基于全站儀、測(cè)距儀等的早期數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具體包括以下三方面：
歷史建筑多為修建于明清或民國(guó)時(shí)期的磚木、磚混建筑，年代久遠(yuǎn)，使用時(shí)間較長(zhǎng)，多存在結(jié)構(gòu)變形或構(gòu)件殘損的情況，歷史建筑的測(cè)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(cè)量：完全依賴(lài)于人工現(xiàn)場(chǎng)操作與肉眼判斷，數(shù)據(jù)精確度難以保證，且無(wú)法直觀測(cè)量建筑的三維變形，在繪制建筑測(cè)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(jí)，歷史建筑的各種微小形變均可精確記錄，測(cè)繪成果更真實(shí)可信。
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(cè)量與全站儀測(cè)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(cè)，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(chǎng)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(jiàn)即所得），滿足歷史建筑測(cè)繪檔案的完整性要求，減少重復(fù)測(cè)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(cè)繪工作應(yīng)盡量減少對(duì)建筑使用活動(dòng)的干擾。
傳統(tǒng)人工測(cè)量：一般需現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量，工作效率提升50%以上，大大降低了對(duì)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(cè)量，適應(yīng)各種現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，能較好應(yīng)對(duì)不同環(huán)境條件情況下的歷史建筑測(cè)繪任務(wù)。
在珠海歷史建筑數(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(guò)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。
珠海歷史建筑三維激光測(cè)繪的成果及應(yīng)用
三維激光掃描準(zhǔn)確記錄復(fù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑測(cè)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（珠海歷史建筑寶臣唐公祠）
珠海歷史建筑三維點(diǎn)云模型在線展示（民興米機(jī)舊址）
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