三维激光扫描与倾斜摄影测量融合在古建筑保护中的应用

引言

三维激光扫描凭借非接触式测量和高精度的特点，能够精准获取建筑的空间几何数据；倾斜摄影测量则以多视角影像采集，真实还原建筑的纹理色彩。整合两种技术仅能够高效、精准地获取古建筑的三维空间信息与外观纹理特征，实现古建筑的数字化存档与三维重建，更为重要的是，为古建筑的病害监测、结构稳定性分析、虚拟修复方案设计以及数字化展示与传播提供了坚实可靠的数据支撑。

一、古建筑工作面临的挑战

古建筑承载着千年文明密码，却在当代面临前所未有的生存危机。历经岁月洗礼的木结构建筑，梁柱因材料自然老化出现糟朽、虫蛀，砖石建筑的榫卯结构也因长期受力产生裂缝，整体稳定性持续下降；人为因素中的旅游开发过度、不规范修缮，甚至盗掘行为，加速了建筑本体的损伤；自然环境的风化、酸雨侵蚀、地震威胁，以及气候变化引发的极端天气，更是对古建筑造成不可逆的破坏。这些结构性、人为性与自然性威胁相互交织，不仅严重威胁古建筑的物理存续，更使其中蕴含的历史信息面临失传风险，亟需科学技术介入构建系统性保护体系。

二、三维激光扫描与倾斜摄影测量技术的互补性分析

（一）数据类型的互补

三维激光扫描与倾斜摄影测量在数据采集类型上呈现显著互补特性，前者依托激光测距原理，能够以毫米级精度获取古建筑表面的三维坐标信息，精确捕捉斗拱交错的复杂几何结构、雕刻纹饰的立体起伏，为建筑结构分析与尺寸测量提供可靠数据支撑。但在色彩纹理还原方面，激光扫描存在天然短板，仅能呈现单一灰度模型。而倾斜摄影测量通过多角度航拍获取高清影像，能够真实还原建筑的色彩、材质与表面细节，甚至连褪色壁画的斑驳痕迹、彩绘图案的细微差异都能完整记录，却在复杂空间结构的精确建模上存在局限性。两种技术协同作业，激光扫描弥补倾斜摄影测量的几何精度不足，后者则赋予前者纹理与色彩信息，共同构建起既精准又逼真的古建筑数字孪生体。

（二）适用场景的互补

三维激光扫描与倾斜摄影测量在古建筑保护的应用场景中各有所长、互为补充，面对古建筑内部复杂结构，如藻井、佛龛等细节，激光扫描凭借其非接触式测量优势，可深入狭小空间进行局部高精度数据采集，即使是光线昏暗、难以接近的区域，也能完整获取点云数据，为微观结构分析提供可靠依据。相比之下，倾斜摄影测量更擅长处理大范围表面，通过无人机多视角航拍，能够快速覆盖建筑群或单体建筑外立面，高效获取大面积空间数据，尤其适用于古塔、城墙等大型建筑的整体建模。二者结合，激光扫描聚焦微观结构的精准测绘，倾斜摄影测量负责宏观场景的快速建模，形成从局部到整体、从细节到全貌的全方位数据采集体系，显著提升古建筑数字化保护效率。

三、三维激光扫描与倾斜摄影测量在古建筑保护中的融合应用

（一）高精度数据采

三维激光扫描通过发射激光束，能够以毫米级精度获取古建筑表面的三维坐标信息，精确捕捉建筑复杂结构细节；倾斜摄影测量则利用无人机多角度拍摄，获取高清影像，真实还原建筑色彩与纹理。二者融合后，可实现对古建筑全方位、多维度的数据采集。在对山西应县木塔进行测绘时，激光扫描精确记录了斗拱结构的尺寸与空间关系，倾斜摄影测量则还原了塔身的彩绘图案和木材纹理，为木塔建立了高精度、高真实感的数字档案，为后续保护工作提供了详实的数据基础。

（二）精细化三维建模

单一的激光扫描生成的模型缺乏色彩和纹理信息，而倾斜摄影测量在复杂结构建模上存在精度不足。将两种技术融合，可优势互补，构建出更完整、精细的三维模型。以故宫古建筑群建模为例，先利用激光扫描获取建筑结构的精确几何数据，再通过倾斜摄影测量赋予模型真实的纹理和色彩，最终形成的三维模型不仅能够直观展现故宫建筑的外观风貌，还能通过数据叠加展示建筑的内部结构、病害分布等信息，为古建筑的展示、研究和修缮提供了强大的可视化工具。

（三）建筑病害分析与监测

古建筑在长期的自然侵蚀和人为影响下，会出现结构老化、墙体裂缝等病害。三维激光扫描和倾斜摄影测量融合采集的数据，经过处理分析后，可精确检测出建筑的病害情况。通过对比不同时期的三维模型，能够直观发现建筑结构的细微变化，如裂缝的扩展、位移等。在对敦煌莫高窟的监测中，融合技术及时发现了部分洞窟壁画的脱落趋势，为文物保护人员采取针对性保护措施提供了科学依据，有效预防了文物的进一步损坏。

（四）数字化展示与传播

借助两种技术融合构建的高精度三维模型，可实现古建筑的数字化展示。通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术，让观众身临其境地感受古建筑的魅力。在数字博物馆中，观众可以通过佩戴VR 设备，近距离观察古建筑的细节，了解其历史文化背景。这种数字化展示方式不仅扩大了古建筑的传播范围，还能在一定程度上减少游客实地参观对古建筑造成的损害，实现古建筑保护与文化传播的双赢。结合三维激光扫描与倾斜摄影测量数据开发的线上互动平台，打破了时空限制。

（五）古建筑修缮与复原

在古建筑修缮过程中，需要准确掌握建筑的原始结构和尺寸信息。三维激光扫描与倾斜摄影测量融合采集的数据，能够为修缮方案的制定提供精确依据。对于已经损毁的古建筑，利用历史资料和融合技术采集的数据，可进行虚拟复原，重现其历史风貌。在对圆明园部分建筑进行复原研究时，通过收集历史图纸、老照片等资料，结合激光扫描和倾斜摄影测量获取的遗址数据，成功构建出了部分建筑的复原模型，为研究圆明园的历史和建筑艺术提供了重要参考。

结束语

总之，三维激光扫描与倾斜摄影测量的融合应用，为古建筑保护搭建起科技与人文交融的桥梁。这种创新技术手段不仅实现了对古建筑全方位、高精度的数据采集与数字化呈现，更通过建立动态监测体系，为古建筑的预防性保护提供了科学依据。从微观的结构病害分析到宏观的文化传播展示，融合技术贯穿古建筑保护的全生命周期，有效提升了保护工作的精准性与可持续性。未来，还需进一步探索该技术与人工智能、大数据等前沿科技的结合，为古建筑保护注入更多创新活力，让历史建筑在数字时代焕发新的生机，实现文化遗产保护与传承的长远目标。

参考文献：

[1]连毅峰.基于倾斜摄影测量与三维激光扫描的古建筑测绘[J].北京测绘，2024，38（12）：1692-1698.

[2]刘庚余.地面三维激光扫描与倾斜摄影测量在福州古厝保护中的应用[J].福建建设科技，2022，（06）：132-135.

[3]池梦洁，张文翔.三维激光扫描及倾斜摄影测量在古建筑数字化建模中的应用对比—— 以西安广仁寺为例[J]. 建筑与文化，2022，（06）：162-165.

[4]杨文竞.基于倾斜摄影和激光扫描技术的历史街区保护测绘[J].测绘技术装备，2020，22（04）：77-80.

[5]王树臻，郑国强，王光生，等.多源点云数据融合的建筑物精细化建模[J].测绘通报，2020，（08）： .