大型古建筑文物三维数字化保护研究_以白马寺齐云塔为例_李永强
基于BIM技术的建筑遗产数字化信息研究——以永祚寺无梁殿修缮为例
遗产保护的一个重要问题[1]。
作为明代砖仿木无梁结构建筑的代表——永祚寺无梁殿，根据目前建筑残损现状程度来看，其建筑维修保护已迫在眉睫，2020年国家下达修缮项目指示并对无梁殿建筑群进行维护修缮。
依托本次保护修缮项目的勘察测绘信息，运用Revit 软件对无梁殿建筑进行数字化建模，将既有的构件属性特征、残损情况、修缮状态等进行数字化的信息管理，并可在后续及时加载、更新，进行多元信息的整合存储，为无梁殿建筑的保存传承和利用研究等工作提供数字化、信息化的管理平台服务。
1建筑概况永祚寺第三进院落大雄殿、三圣阁、禅堂、客堂及方丈院均建于明万历三十六年（1608年），由妙峰禅师主持修建，整个院落为明代砖仿木无梁结构建筑，是我国明代无梁殿建筑群的代表作之一。
大雄殿、三圣阁坐南朝北，依地势而建，分上下两层，为砖券无梁式建筑。
外观仿木结构建筑所制，殿内建有各式砖券三十余个，涵盖了墙体主拱券、塑像拱券和室内外门窗拱券。
其中大雄殿明间、次间均为南北横向筒拱，飞架于前后墙之上，两侧稍间则与正中三间不同，为东西纵向筒拱，飞架于隔墙和山墙之上，券弧跨度较大，券艺高超，有效扩大了殿内空间。
二层同理，共三开间，两次间各为一个南北向的筒拱，明间为砖叠涩八角穹窿藻井[2]（见图1）。
从目前的保护状况来看，无梁殿建筑中存在着较大的安全隐患，由于受到四百多年来地基水土冻融的交替影响，建筑周围未有效散水，再加上前檐严重渗漏，导致湿陷性摘要 太原永祚寺无梁殿建筑群历经四百余年基本保存完好，但是由于自然因素以及其本体材质的特性，部分建筑病害已经逐步显现。
文章以永祚寺无梁殿修缮项目为例，通过勘察测绘的方式记录无梁殿建筑残损状况并建立BIM 数字化信息模型，利用参数化的修缮信息管理方法，将无梁殿的所有构件以“族库”的方式存储记录，借助BIM 技术的优势完成对无梁殿建筑遗产数字化保护的实施。
关键词 BIM 技术；无梁殿；建筑遗产保护；残损表达中图分类号 TU-87 文献标识码 A基金项目 永祚寺无梁殿健康评估体系建设及研究（2021KT39）DOI 10.19892/ki.csjz.2023.24.01Abstract The Wuliang hall building complex of Yongzuo Temple in Taiyuan has been well preserved for more than 400 years. However, due to the natural factors and the characteristics of its materials, some building diseases have gradually emerged. Taking the repair project of Wuliang Hall in Yongzuo Temple as an example, this paper records the building damages of Wuliang hall through survey and mapping and establishes a BIM digital information model. Using the parameterized repair information management method, all components of Wuliang hall are stored and recorded in the form of “family library”. With the advantage of BIM Technology, the implementation of digital protection of Wuliang hall architectural heritage is completed.Key words BIM technology; Wuliang Hall; architectural heritage protection; damaged expression由于年代久远且受自然因素的影响，很多古建筑的保存现状堪忧，修复问题同样不容乐观，如何有效、科学地保护古建筑，保留其真实的原有面貌成为现阶段建筑作者简介：李文强（1996—），男。
3D建模技术在数字文化遗产保护中的应用研究
3D建模技术在数字文化遗产保护中的应用研究引言数字化技术的发展使得人们能够更好地保护、传承和表现各种文化遗产。
而三维建模技术在数字文化遗产保护中的应用，更是有着不可替代的作用。
本文将重点阐述三维建模技术在数字文化遗产保护中的应用研究。
一、三维扫描技术在数字文化遗产保护中的应用三维扫描技术是一种通过光线或激光扫描物体表面的技术。
通过三维扫描技术，可以实现对建筑、文物、雕塑等文化遗产的数字化保存，保护文化遗产，研究文物形态及其构造，使之能够更好地被观测、研究和传承。
二、三维建模技术在数字文化遗产保护中的应用3D建模技术，在文化遗产保护中的应用主要包括两种情况。
一种是通过已经扫描得到的数据，构建3D模型。
这种技术主要是将扫描得到的点云数据，转化为可编辑的三维模型，然后通过3D 打印的方式进行模型的展示。
另一种是通过多角度的摄影拍摄文化遗产，然后将这些照片通过3D建模技术，在计算机中构建3D 模型。
三、三维建模技术的优势相较于传统的文化遗产保护方法，数字化文化遗产保护具有以下显著优势：1. 对文件资料及实物资料的保存与加工为数字资料，方便存储、管理和保护。
2. 通过三维建模技术，可以将文化遗产真实完整地呈现出来，真实、精细、全面地展示各种文物及其微细的构造。
3. 通过3D建模技术，不仅可以提高文物的保存效果，同时也能够节省保存、修整、展示的时间和成本。
4. 在教学、研究、学术交流方面，这种技术对文物展示和研究都具有重要的辅助作用。
5. 在文学艺术、数字文化领域，三维建模技术的应用延伸出了许多新的创作模式，同时也为人们提供了新的审美体验。
四、应用案例1. 故宫博物院早在2018年9月，故宫博物院就在公开展示了200件文物的三维数字化展示，让更多人有机会近距离了解故宫文物，同时也为保护和传承故宫文物做出了积极的贡献。
2. 洛阳龙门石窟2009年10月，经三十年的考古发掘和整理，以及三维扫描技术的应用，洛阳龙门石窟被列为世界文化遗产。
三维数字化建模技术在文化遗产保护中的应用
三维数字化建模技术在文化遗产保护中的应用一、引言随着现代科技的飞速发展，人们的生活方式在逐渐改变，我们逐渐看到了三维数字化建模技术在文化遗产保护中的巨大潜力，三维数字化建模技术能够快速高质量地创建和保存现实世界的精确数字模型，为保存、重构和展示文化遗产提供了一种新的途径。
通过这种技术，我们可以以最真实的模型形式记录和保留文化遗产，实现对文化遗产的永久性保护。
二、三维数字化建模技术在文化遗产保护中的应用1、三维数字化建模技术在文物的保护与修复中应用传统文化遗产保护方法往往需要进行大量的物理操作，例如手工制作模型、拍照等，维护管理也十分困难。
使用三维数字化建模技术，则能大幅度降低这些成本以及困难程度，其能够帮助记录下文物的每一个细节和特征，能够更便捷的进行修复与拼合，在进行该项保护工作的过程中能够减少文物的进一步损失。
2、三维数字化建模技术在文化遗产的保存和传承中的应用使用三维数字化建模技术记录下每一个文物所特有的结构、色彩、纹理等细节，然后将它们展示在数字图像中，极大地方便了文物的保存和传承，并且，通过搭载虚拟现实技术，能够让更多的人群参与其中，以获得更深入地文物认知和传承。
3、三维数字化建模技术在历史建筑的保护中的应用数字化的历史建筑模型是保护文化遗产的最佳途径之一。
通过三维数字化建模技术，可以轻松地记录下历史建筑的每一个细节和特色，在进行快速且负担不大的维护与保护，对于福建土楼等传统建筑，研究者们使用三维数字化建模技术成功还原传统建筑的构造、彩绘等方面，从而更加准确表达了历史文化的魅力。
三、三维数字化建模技术在文化遗产保护中的不足1、精度问题虽然三维数字化建模技术可以快速创建模型并保存文物，但技术的精度与效果强弱会直接反映在模型质量上。
相较手工制作或者精细地拍摄，该技术的精度和准确性还有较大提升空间，这致使其并非完全可行的选择。
2、技术成本在实际使用中发现，三维数字化建模技术成本较高，包括操作手册、培训、设备维护等多个方面，其高昂的投资成本与繁琐的维护工作，也成为该技术应用范围扩大的制约因素之一。
三维数字化技术在文物保护中应用与作用
三维数字化技术在文物保护中应用与作用三维数字化技术是一种基于计算机图形学和图像处理技术的数字化技术，可以将物体的形状、纹理和颜色等信息以数字化的方式记录下来，形成三维的数字模型。
该技术具有高精度、高效率和可视化的优点，可以广泛应用于文物的保护、修复和展示等领域。
在文物保护中，三维数字化技术可以应用于文物的记录、鉴定、保护和研究等方面。
具体来说，它可以起到以下几个方面的作用：一、文物的数字记录：三维数字化技术可以将文物的形态、结构和纹理等信息以数字化的方式记录下来，并通过计算机软件进行处理和管理。
这样做可以避免人为的误差和损坏，同时可以保存文物的各种细节信息。
这些数据可以用来备份文物，追踪文物的变化，还可以作为文物存量、文物保护与修复的基础数据。
二、文物的非接触式鉴定：通过三维数字化技术，可以在不接触文物的情况下，对文物进行高精度的鉴定和检测。
这种方法可以避免传统检查和测量的破坏性，而且可以获得更精确的数据。
例如，可以直接从数字模型中测量出文物的尺寸、体积、重量和各种特征值等，对文物的质量、年代和生产地等进行分析和鉴定。
三、文物的数字化修复：传统的文物修复方式往往需要大量的人力物力和时间，同时还需要对文物进行接触性修复，容易造成二次伤害。
而三维数字化技术可以通过数值模拟和虚拟实验等方法，对文物进行数字化修复，并且可以进行多种方案的比较和优化，最终产生出最优解。
这种方法可以避免人为的损坏，同时修复的效果更加准确。
四、文物的虚拟展示：通过将文物的数字模型与显著音视频技术相结合，可以实现文物的虚拟展示。
这种方法可以让公众，在不接触文物的情况下，近距离地观看文物的细节和美丽。
同时也可以提高人们对文化遗产的重视和保护意识，使文化遗产得到更好的保护。
总之，三维数字化技术在文物保护中应用广泛，可以起到记录、鉴定、修复和展示等多种作用。
在未来，它将成为文物保护的主流技术，并为我们更好地保护和传承文化遗产提供有力的支持。
三维数字化技术在文物保护中应用与作用
三维数字化技术在文物保护中应用与作用
数字化技术是一种快速、精确、高效的技术，可以将真实物体转化为数字模型，使其可以在计算机上可视化和操作，具有广泛的应用价值。
在文化遗产保护领域，三维数字化技术可以帮助保护文物，提供更好的管理和保护措施。
首先，三维数字化技术可以提高文物保护的效率。
传统的文物保护工作通常需要耗费大量的时间和精力，包括拍摄照片、绘制图纸、记录数据等等。
而三维数字化技术可以快速生成文物的数字模型和相关数据，不仅避免了这些繁琐的工作，而且可以更好地保护文物。
其次，三维数字化技术可以完整地保存文物的信息。
文物保护是为了保存文化遗产的历史价值和信息，使其能够传承下去。
三维数字化技术可以帮助完整地保存文物的信息，包括尺寸、形状、材质、细节等等，对于文物保护和研究都有很大的价值。
再次，三维数字化技术可以提供更好的文物保护措施。
通过三维数字化技术，可以模拟文物固有的特性和存在的问题，再根据具体情况提出更好的保护措施。
比如，在文物修复时可以通过三维数字化技术辅助进行设计和精准操作，使修复过程更加精准和有效。
最后，三维数字化技术可以促进文化遗产的传承和普及。
通过数字化技术，文物可以更加直观地展示给人们，让更多的人可以了解和认识文物，从而更好地保护和传承文化遗产。
总之，三维数字化技术在文物保护中应用广泛，对于提高保护效率、完整保存文物信息、提供更好的保护措施以及促进文化遗产传承和普及都有很大的作用。
三维数字化技术在文物保护中应用与作用
三维数字化技术在文物保护中应用与作用近年来，三维数字化技术在文物保护中的应用日益广泛，并发挥了重要的作用。
三维数字化技术是一种将物体或场景以三维数据的形式进行记录、保存和再现的技术，它能够以高精度、高效率的方式对文物进行数字化处理，大大提高了文物保护工作的效率和质量。
三维数字化技术可以精确地记录和保存文物的形态和结构。
传统的文物保护工作往往依靠手工绘制或摄影来记录文物的外观和尺寸，这种方法无法真实地还原文物的三维结构。
而三维数字化技术能够通过激光扫描或摄像等手段，精确地获取文物的三维坐标和形态数据，将文物的形态和结构完整地保存下来。
这对于文物的保护和研究非常重要，不仅方便了后续的文物保护工作，还可以在文物损坏或丢失的情况下进行数字化的还原和重建。
三维数字化技术可以实现对文物的全方位观察和研究。
通过三维数字化技术，可以生成文物的三维模型，实现对文物的多种观察方式，包括旋转、放大、镜像等。
这样一来，文物研究人员可以从各个角度和尺度对文物进行观察和分析，发现文物的特殊细节和隐含的信息。
三维数字化技术还可以实现对文物的虚拟复原和虚拟重建，帮助研究人员还原文物所处的历史背景和文化环境，进一步丰富文物研究的内容和方法。
三维数字化技术还可以实现对文物的数字化保护和传播。
在文物保护过程中，三维数字化技术可以实现对文物的数字化保护，将文物的形态和结构数字化保存起来，避免了传统的物理保护方式带来的二次破坏。
通过三维数字化技术，可以将文物以数字化的方式呈现给观众和研究人员，实现文物的远程观看和传播。
这为广大公众提供了便利，让更多的人有机会欣赏到珍贵的文物，加深对文物的认识和了解。
三维数字化技术还可以为文物保护工作提供科学依据和决策支持。
传统的文物保护工作往往依靠经验和直觉来进行，缺乏科学的分析和评估。
而通过三维数字化技术，可以实现文物的数字化建模和仿真分析，对文物的损伤程度和保存状况进行科学的量化评估，为文物保护工作提供准确的数据和科学依据。
3D重建技术在文化遗产数字化保护中的应用研究
3D重建技术在文化遗产数字化保护中的应用研究第一章前言文化遗产是一个国家的美丽名片，它是历史的见证，是人类智慧和创造力的结晶，是孕育民族精神的重要载体。
然而，由于客观条件的限制和人为因素的作用，文化遗产的保存面临着巨大的困难。
数字化技术的出现为文化遗产的保护提供了新的途径，3D重建技术在文化遗产数字化保护中扮演了重要的角色。
本文主要阐述了3D重建技术在文化遗产数字化保护中的应用研究。
第二章文化遗产数字化保护技术综述数字化保护是根据数字化技术对文化遗产进行保存、研究、传播和利用的一种新型保护手段。
数字化保护技术主要包括数字影像技术、三维建模技术、虚拟现实技术等。
其中，三维建模技术是数字化保护中重要的一部分，它能够真实地还原文化遗产的三维形态和内部结构。
而3D重建技术则是三维建模技术中重要的一种技术手段，它能够通过对图像进行处理，生成三维模型，以此来还原文化遗产的形态和结构。
第三章 3D重建技术在文化遗产数字化保护中的应用3D重建技术的应用范围包括遗址、建筑、艺术品和实物文物等领域。
在文化遗产数字化保护中，3D重建技术主要应用于以下方面：1. 文物保护：对于一些无法移动的文化遗产，如壁画、浮雕等，3D重建技术可以对其进行数字化保护。
首先通过3D扫描仪将文物表面进行扫描，然后对扫描获得的数据进行处理，生成三维模型。
2. 反复修复：对于一些因年代久远已经出现自然损坏或者是战争等原因造成的文物损落，通过3D重建技术可以重建损失的部位，实现文物的修复和保护。
3. 游客体验：采用3D重建技术还可以为游客提供更加丰富的文化遗产体验。
游客可以在虚拟现实环境中观赏文物的外表和内部结构，深入了解并体验文化遗产所蕴含的文化价值和历史并感受不一样的文化魅力。
第四章 3D重建技术在文化遗产数字化保护中面临的挑战虽然3D重建技术在文化遗产数字化保护中有着广泛的应用前景，但是同时也面临着一些技术和管理上的挑战。
1. 技术难题：在进行3D重建时，需要对遗产物品进行全面细致的检测和测量。
三维数字化技术在文物保护中应用与作用
三维数字化技术在文物保护中应用与作用【摘要】三维数字化技术在文物保护中扮演着重要的角色，通过文物数字化扫描技术和三维重建技术，可以精确记录和保存文物的信息，避免损坏和丢失。
虚拟展览技术也为文物的展示提供了全新的方式，不仅让更多人能够欣赏到文物，还能保护文物不受环境影响。
数字化技术在文物保护中也面临一些挑战，如数据安全和技术标准。
但随着技术的不断发展，文物数字化技术的前景依然广阔。
三维数字化技术为文物保护带来了革命性的变化，未来数字化技术在文物保护中的应用前景令人振奋。
通过不断改进和创新，数字化技术将为文物保护事业带来更多的可能性。
【关键词】关键词：三维数字化技术、文物保护、文物数字化扫描、三维重建、虚拟展览、挑战、前景、革命性变化、应用前景广阔1. 引言1.1 三维数字化技术在文物保护中的重要性三维数字化技术在文物保护中的重要性是不可忽视的。
传统的文物保护方法存在许多局限性，如文物易受环境影响而受损、难以长期保存、难以展示等问题。
而三维数字化技术通过将文物数字化，可以实现对文物的精准记录、保存和展示。
这种技术可以将文物的全貌、细节及结构等信息保存在数字化数据库中，避免了因时间和环境影响而导致的文物破损或丢失。
三维数字化技术还可以通过虚拟展览的形式，让更多的人可以远程欣赏文物，提高了文物的传播效果和保护意识。
通过数字化技术，人们可以更加便捷地了解和研究文物，促进了文物保护工作的现代化和国际化。
三维数字化技术在文物保护中的应用具有革命性的意义，为文物保护带来了新的可能性和希望。
1.2 三维数字化技术的发展背景三维数字化技术是指利用计算机技术对三维对象进行数字化处理，以实现对物体的高精度表达和模拟。
在文物保护领域，三维数字化技术的应用已经成为一种重要的手段，可以帮助我们更好地理解、保护和传承文物。
随着科技的不断进步，三维数字化技术在文物保护中的应用也变得越来越广泛。
三维数字化技术的发展背景主要源于计算机和数码技术的迅速发展。
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大型古建筑文物三维数字化保护研究———以白马寺齐云塔为例李永强1，2，刘会云1，冯梅1，3，苏蕾1，张键1，郑艳慧1（1．河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南焦作454000；2．北京师范大学空间信息科学与技术研究所，北京100875；3．河南省遥感测绘院，郑州450003）摘要：针对大型古建筑文物结构复杂，数字化保护工作繁琐而沉重的问题，提出融合多种精密测量技术的三维数字化方法．用GPS 测设精密控制网来确定古建筑文物的空间坐标和方位；用三维激光扫描仪获取密集点云来构建精细三维数据模型；用高精度免棱镜全站仪精确观测特征点，与三维激光扫描测量进行精度的相互检核．以该方法在白马寺齐云塔数字化保护应用为例，详细阐述了外业数据采集的方法和技术，并在点云拼接、三维建模、数据分析等方面讨论了内业数据处理的方法与技术.关键词：三维激光扫描；点云；文物保护；3D 表面重建；精度检核中图分类号：P258文献标识码：A 文章编号：1673-9787（2012）02-0186-05Research on 3D digitization protection of large historic building relictake great white horse temple＇s Qiyun pagoda for exampoleLI Yong-qiang 1，2，LIU Hui-yun 1，FENG Mei 1，3，SU Lei 1，ZHANG Jian 1，ZHENG Yan-hui 1（1．Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of National Adminisration of Surveying ，Mapping and Geoinformation ，Henan Polytech-nic University ，Jiaozuo 454000，Henan ，China ；2．Academy of Disaster Reduction and Emergency Management ，Beijing Normal University ，Bei-jing 100875，China ；3．Henan Remote Sensing and Surveying Institute ，Zhengzhou 450003，China ）Abstract ：Large historic building relic commonly has complex construction ，and the digitization protection is a cockamamie and heavy workload．To resolve this problem ，we present a 3D digitization method with multi-pre-cision measurement data fusion．we use GPS to observe precise control network and locate the coordinate and orientation about the historic building relic ，employ 3D laser scanner to acquire dense point cloud and build precise 3D model ，and use high accuracy non-prism electronic total station to observe precise characteristic points and detect precision with 3D laser scanner for each other．The paper takes the digitization protection of Great White House Temple＇s Qiyun Pagoda for example ，has a detailed presentation on method and technology in field work ，and discusses the method and technology in interior work in several aspects ，such as point cloud registering ，3D modeling and data analysis．Key words ：3D laser scanning ；point cloud ；historic preservation ；3D surface rebuild ；accuracy check第31卷第2期2012年4月河南理工大学学报（自然科学版）JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY （NATURAL SCIENCE ）Vol．31No．2Feb．2012收稿日期：2012-01-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（41001304）；河南省重点攻关项目（112102210193）．作者简介：李永强（1976—），男，河南许昌人，博士，讲师，主要从事激光扫描技术研究与教学工作.E-mail ：liyongqiang@hpu．edu．cnDOI:10.16186/ki.1673-9787.2012.02.0070引言古建筑文物承载着丰富的历史信息，对各个历史时期的社会、政治、文化、艺术研究具有重要价值，但是，随着人类活动的日益影响，许多重要古建筑文物遭到不同程度的破坏．对文物进行数字化三维重建是文物保护的有效手段，近年来多种先进传感器在古建筑文物保护中得到了广泛应用，这在很大程度上促进了古建筑文物保护工作的进展，国内外已有很多成功案例［1-5］．古建筑文物的数字化保护需要以真实、准确、密集的表面测量数据为基础，但对于大型的古建筑文物，由于受数据获取方式的限制，往往要求在周围高大建（构）筑物上架设仪器，或搭建高大稳定的观测平台，这在很大程度上增加了作业成本，延长了作业周期，目前尚没用成熟的经验可以借鉴．作为全国级重点保护文物，洛阳白马寺齐云塔是中原地区现存最大的密檐式建筑，该塔修建于金代，塔平面为正方形，高26m ，共13层（图1（a ））．由于年久失修，塔体损毁严重，塔基砖体出现酥碱，2008年遭受雷击，使塔体遭受严重损坏，成为Ⅳ类建筑．为保护这一珍贵的文物，相关部门对该塔实施修复加固工程（图1（b ）），三维数字化是齐云塔文物保护的重要组成部分．本文以齐云塔为例，详细阐述了融合多种精密测绘技术的大型古建筑三维数字化文物保护方法，包括外业数据采集和内业数据处理，希望本文的成果能对相关研究提供借鉴．1外业测量1．1控制网建设控制网建设是三维表面测量工作初期的一项重要工作［6］．根据工程建设需要，分别进行了局部坐标控制网和绝对坐标控制网建设．（1）局部坐标控制网建设．局部控制网建设的目的是把不同测站获取的点云数据整合在一个坐标系中，使所有空间点云有一致的空间参考.三维激光扫描仪从不同测站对目标进行扫描，测站内数据点之间有很高的相对精度，测站间数据点的拼接需要至少3个同名点经坐标转换后达到坐标的一致．为了充分发挥标靶在点云拼接中的优势，根据齐云塔周围环境的具体情况，在齐云塔四周围栏上黏贴了13个固定标靶（图2中的f01－f13）．在地面上分3个测站对这些标靶进行精细扫描，相邻两测站间有数个重叠标靶，根据重叠标靶对3个测站数据进行拼接，将13个标靶整合在一个局部独立坐标系中，这13个固定标靶成为各测站点云拼接的基础．标靶拼接使用Cyclone6．0软件，所有标靶拼接误差均小于1mm．（2）绝对坐标控制网建设．要达到对齐云塔文物保护的目标，还要将局部测量坐标转换到空间坐标系中，获得齐云塔的绝对位置和方位，这要求建立局部坐标系和大地坐标系之间的联系，建立精度较高的大地坐标控制网．根据作业要求及白马寺齐云塔周围的具体情况，在白马寺齐云塔周围布设GPS 控制网，施测了5个控制点（图2中的A1－A5），联测2个D 级GPS 点作为起算点，使用1980西安坐标系进行平差计算．因5个控制点相距太近（最近13．5m ），平差精度较低（最弱1/32707），但足以满足对整体模型定位定向的要求．1．2三维激光扫描表面测量要获取塔身完整的点云数据，需要在塔四周不同高度的平台上架设激光扫描仪，齐云塔高度为26m ，周围没有高层建筑物，塔周围树木茂密，781第2期李永强，等：大型古建筑文物三维数字化保护研究———以白马寺齐云塔为例大型吊装设备也无法进入寺院内，这给数据采集带来了很大困难．有2种可选方案：（1）利用齐云塔修缮时尚未拆除的脚手架（图1（b）），对脚手架进行局部加固以架设仪器，在脚手架上完成三维激光扫描工作．由于脚手架距离塔身太近，又存在诸多遮挡，这将给数据采集工作带来很多困难，也会大大增加外业数据获取和内业数据处理的工作量．（2）拆除现有脚手架，在距离塔身一定距离搭建一个环形平台，这需要花费大量人力、物力，而且也会延长至少2个月的工期．综合对比分析2种方案，决定采用方案1．通过对作业现场的具体勘察，科研小组制定了具体的作业方案，成功完成了三维点云数据采集工作．（1）确定观测平台．从顶部第1层开始，每隔1层布设1个观测平台，自上向下围绕塔体共布设8个观测平台，在地面上也作为1个观测平台，共分9层对全塔进行扫描．（2）加固观测平台．由4名脚手架工人依次对各观测平台进行加固，每个观测平台的4个拐角作为观测站点，对观测站点进行特殊加固，保证观测仪器的稳定性和作业的安全性．（3）数据采集．采用自上而下的观察顺序，从顶部第1个观察平台开始，依次向下，直至到达地面；在每个观测平台上的4个测站，采用顺时针观测顺序；在每个测站上，观测范围在水平方向上为与拐角相邻的两个面，竖直方向上为观测点邻近的三层塔体；当激光扫描仪到达地面后，由于不受观测平台的限制，在距离塔体拐角较远的地方架设仪器，扫描范围为整个塔体．由于相邻测站间存在一定的观测重叠区域，这既有效地解决了遮挡的影响，保证了数据采集的完整性，又便于使用特征点匹配进行点云的拼接．全塔共进行了36个测站的扫描工作．（4）标靶扫描．完成每测站的扫描后，还要尽可能多地扫描护栏上的固定标靶；在距离地面较高的几层观测平台上，由于受视场角的限制，对护栏上固定标靶的扫描受到限制，在塔身上适当黏贴几个固定标靶，以增加相邻测站拼接的精度．1．3免棱镜全站仪测量通过对三维表面模型的初步分析，发现齐云塔存在一定程度的倾斜．为了验证三维激光扫描测量的精度，使研究结论更具说服力，研究小组选用徕卡TS02免棱镜全站仪，对齐云塔进行了检核测量：先选择特征点，从齐云塔每层的4个拐角处分别选择1个特征点，13层共52个特征点；再观测特征点，分别从2个测站，用免棱镜全站仪对这些特征点进行精确测量，两站观测点位较差控制在1cm以内，最终结果取两站观测平均值．2数据处理与分析2．1点云拼接点云是三维重建的基础，点云的精度直接决定了三维重建的精度，而点云拼接是最基础的工作之一［7-9］．由于作业空间狭小，作业环境差，作业受外界环境影响大，要把36站散碎的点云精确整合在同一个坐标系中，这给研究小组提出了很大的挑战．为了满足高精度点云模型的要求，科研小组采用如下的点云拼接策略：先对在地面上观测的4站点云数据（这4站数据覆盖面大、精度高）进行精确拼接，构成大致的塔体点云模型，作为点云拼接的主要参考；再对每个观测平台所包含的4个测站数据进行拼接；最后由下向上依次把各观测平台的观测数据拼接到模型中，最终构成完整的整体点云模型．由于激光扫描仪在获取数据的过程中，受风吹等外界因素的影响，同一测站内的数据的一致性会受到少量影响，拼接的时候，不但要考虑标靶和同名点的拼接误差，还要认真观察拼接后各部分的拟合程度，根据具体情况进行适当调整，以达到最好的拼接效果，这是一个相当繁重的工作量．一般情况下，相邻测站点云拼接精度控制在4mm以内，最差的也控制在1cm以内，精确的点云拼接有效保证了模型的精度．2．2三维建模点云模型和各类线画图能在一定程度上真实表达目标的空间形态特征，但它们的表达能力有限，要描述目标的细节特征，还需要构建精细的TIN模型［10-11］．对于文物的三维建模，需要客观真实表达其空间几何形态，这对建模方法和建模精度都提出了特殊要求，尤其是当数据量特别庞大时，其空间三维建模是一项相当繁琐的工作，不但需要对目标整体进行三维建模，还要对整个对象进行分块处理，对各个分块进行更精细的描述．科研组采用先碎步后整体的策略：把齐云塔点云模型分为若干子块，对每一块进行认真检查，精细建模，然后把各子块逐步整合，最终构建完整的三维TIN模型（图3）．2．3数据分析（1）特征点精度检核．通过对全站仪观测的52个特征点数据进行分析，剔除部分不合格数据，最终确定48个符合要求的特征点观测数据．881河南理工大学学报（自然科学版）2012年第31卷在点云图像上认真选择特征点的对应点，与全站仪观测坐标进行对比，从表1的对比结果可以看出：最大坐标较差23mm ，最小较差7mm ，平均较差17mm．从对比结果来看，无论单点精度还是整体精度，三维激光扫描测量结果都达到了很高的精度．表1特征点精度检核Tab．1Accuracy check of characteristic points（2）模型精度分析．三维激光扫描仪以5mm的采样间隔完成了齐云塔表面测量工作，整个齐云塔表面模型共包含2400万数据点，由于三维激光扫描仪单点定位精度可达毫米级，由密集点云构建的表面模型精度更高，相对精度甚至可达毫米以内．为了满足不同应用需求，科研组进行了多分辨率表面TIN 模型的构建，所构建模型包含的数据点分别为2400个万，480万，240万和120万，这些模型的采样点密度从5mm 到20mm ，这一系列模型都能精细地表达齐云塔的细节特征，模型的相对点位精度都在毫米级．（3）齐云塔中心偏移量计算．为了更准确地计算齐云塔中心偏移量，科研组采用3种方式计算各层中心：①从点云图像中找出每层的4个脚点，4点交叉连线求出中心；②根据点云图像绘出线画图模型，根据模型的4个脚点求出中心；③全站仪测量的特征点大多是脚点，用这些脚点计算各层中心．通过3种方式计算结果的比较，最大不符值仅为2cm ，这充分保证了各层中心位置的正确性．在计算中心的时候，从上到下1 13层每层求出1个中心，基座求出J1，J2两层的中心．计算中心偏移量时，分别求出相邻两层中心相对偏移量以及最顶层和最底层中心偏移量，计算结果如表2所示．从表2中可知，从顶部第1层到基座J2层的中心偏移量为0．759m ，偏移方向为北偏西47．35ʎ，与垂直方向的偏移角1．98ʎ．981第2期李永强，等：大型古建筑文物三维数字化保护研究———以白马寺齐云塔为例表2齐云塔偏移量计算Tab．2Offsets calculation of Qiyun Pagoda层坐标中心坐标/m中心偏移/m偏移值/（m或ʎ）X Y Z层对比X Y Z偏移量北偏西倾斜角13843745．323509419．628148．395－－－－－－－23843745．326509419．642147．7891－2－0．003－0．0140．6060．014102．0951．353 33843745．308509419．666147．0102－30．018－0．0240．7790．03053．1302．205 43843745．290509419．686145．9043－40．018－0．0201．1060．02748．0131．394 53843745．250509419．709144．7214－50．040－0．0231．1830．04629．8992．234 63843745．214509419．733143．5395－60．036－0．0241．1820．04333．6902．096 73843745．178509419．752142．2956－70．036－0．0191．2440．04127．8241．874 83843745．153509419．774141．0147－80．025－0．0221．2810．03341．3481．489 93843745．115509419．807139．4388－90．038－0．0331．5760．05040．9721．829 103843745．061509419．839137．7799－100．054－0．0321．6590．06330．6512．167 113843745．013509419．887135．99910－110．048－0．0481．7800．06845．0002．184 123843744．951509419．913134．14211－120．062－0．0261．8570．06722．7512．073 133843744．884509419．960132．25712－130．067－0．0471．8850．08235．0492．486 J13843744．812509420．160128．17313－J10．072－0．2004．0840．21370．2012．979 J23843744．809509420．186126．423J1－J20．003－0．0261．7500．02683．4180．857总体－－－－0．514－0．55821．9720．75947．3501．9783结语本文以白马寺齐云塔为例，详细阐述了大型古建筑文物三维数字化保护的方法和技术．在外业数据采集方面，综合三维激光扫描仪、GPS、免棱镜全站仪等先进测绘仪器，通过方案设计、外业观测，全面准确获取了齐云塔精细的三维空间数据；采用点云拼接、三维建模、数据分析等内业数据处理的方法与技术，获得了大型古建筑文物三维模型，既发挥了三维激光扫描技术的优势，又与传统测量技术相互佐证，提高了测量成果的可信度．参考文献：［1］SHIH N J，WANG H J，LIN C Y，et al．3D scan for the digital preservation of a historical temple in Taiwan［J］．Advances in Engineering Software，2007，38：501-512．［2］WEI O C，CHIN C S，MAJID Z，et al．3D documen-tation and preservation of historical monument usingterrestrial laser scanning［J］．Geoinformation 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