苏州云岩寺塔精密三维数字化建设

苏州是一座拥有2500多年悠久历史的古城，伟大的文明在漫长的岁月中积淀出无数的历史文化遗产，这些文物是先民们智慧的结晶，更是我们传承文明的珍贵印记。其中云岩寺塔（虎丘塔），不仅是千余年来苏州这座历史文化名城“人间天堂”的重要标志之一，而且以其重大的历史、艺术、科学价值载入了众多建筑史、科技史、文化艺术史著作，因而在1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位。

新中国成立时，云岩寺塔己失修90载，顶刹、腰檐、平座尽毁，整塔呈崩塌之势。1957年，在苏州市文管会主持下对塔身进行了加固，给塔身加上了紧身箍，加强了塔体的整体性。这是建国以来对云岩寺塔的第一次加固。但是，此次加固工程使修缮后的塔体自重增加，打破了修缮前的平衡状态。从1957年到1986年，倾斜量由1.7米增加到了2.3米左右，塔体又出现裂缝。第二次加固于1986年完成。经过此次“地基加固，基础补强，塔体修补，台基回复”的整修，终于使云岩寺塔稳定下来。时至今日，在二十多年的跟踪监测下，云岩寺塔塔身一直没有

明显变化。但近年来，受风雨雷电、植物生长、人为因素等影响，塔身裂缝增多、砖砌体风化严重。如何利用现代测绘地理信息技术完整保留其原始风貌，并为古塔修缮维护提供信息数据保障，是摆在文保工作者与测绘工作者面前的重要课题。

2014年12月23日，云岩寺塔28年来首次全面性保养维修工程启动。此次工程是新中国成立以来云岩寺塔的第三次大规模维修，不同于前两次的抢救性大修，此次工程以保养维修为主，且涵盖三维数字化建设工作，苏州市文物保护管理所委托苏州市测绘院，通过三维数字化方式“锁定”塔身，为今后古塔的保护与修缮提供精密三维数据。

由于云岩寺塔形态和结构纷繁复杂，传统文物测绘方式不仅花费大量人力物力，而且难以准确地采集和描述塔身全面信息。三维激光扫描技术是一种快速直接获取实体表面三维数据的新技术，这种技术可以完整地获取各种简单或复杂实体的三维数据，并能在计算机中快速准确地实现目标实体的三维建模。利用该技术对云岩寺塔进行三维数字化建设，对于古塔的保护和修复有着重要的意义。

基于激光点云数据的文物数字化存档

文化遗产的信息存档是文化遗产保护中的重要基础工作，也是国际上文化遗产保护工作中必须遵循的基本原则之一。对于多数的历史文化遗产，特别是像云岩寺塔这种具有立体特征的对象，传统方法在信息存档方面的不足主要有：信息存档不完整；无法实现高精度的现状调查、定量统计与评估；不能为科学保护修复提供精确数据；难以为虚拟复原或展示利用提供可靠依据。而三维激光扫描技术的出现，为文化遗产三维信息的全面详实存档提供了可能。

此项目采用三维激光扫描仪，其单点点位精度优于2毫米。国内外大多数三维激光扫描项目往往都是采用标靶布设方式进行扫描，该方法需布设同名标靶进行后期点云数据的配准，对文物本身有直接接触损害，且云岩寺塔由于内部空间狭小不适合布设标靶。为此项目组采用了基于优化的icp算法点云数据配准技术，通过合理设站获取文物表面海量点云数据。数据处理中对icp算法进行研究，优化算法的运算速率与配准精度。此项目使用该算法对288站点云数据进行无标靶配准，采用高精度全站仪进行了精度检核，共检核238条特征边，得出整塔配准精度为±11.9毫米，较好地满足了古塔保护与修复的精确度需求。

点云将是未来信息处理的重要基础数据，是信息存档的一个重要组成部分。此次共采集有效点云数据43亿个，高容量、高密度、高精度地记录了云岩寺塔的三维立体信息和纹理信息，相当于将云岩寺塔通过数字化的形式搬进电脑里，一次扫描永久存档。点云数据为后期的数据处理和分析提供了数据源，但考虑到现有计算机技术的硬件和软件处理水平，对于原始点云的信息提取在现阶段可能还有不完全的地方，而且现有的成果都是基于某一个领域的需求得出，随着计算机技术的发展，未来会有更多的信息可被提取。

基于激光点云的二维图件与三维模型制作

利用采集的三维点云数据，可制作文物各个部位的轮廓、剖面、体积等基本信息的各式图件；通过获取塔内外高精度点云数据，基于点云切片数据绘制了云岩寺塔平立剖图，解决了建筑物数据人工采集时所带来的精确度损失、效率损失等问题，尤其是解决了高层建筑物平立面元素无法量测的问题。

三维激光扫描技术成果形式多样，除了传统的各种图件外，通过采集的纹理信息，进行图像校正、几何建模，得到精准的三维立体模型，从而直观地将文化遗产进行三维还原。

塔身病害监测

塔身病害是指在长期保存过程中由于环境变化、营力侵蚀(风化、流水、冰冻等)、人为破坏等因素导致的云岩寺塔在物质成分、结构构造、外貌形态上所发生的一系列不利于文物安全或有损文物外貌的变化。根据前期调研结果，云岩寺塔主要存在的塔身病害有隐木腐蚀斗拱损坏、塔身砖块掉落、外壁粉刷层脱落和塔身裂缝等。

针对隐木腐蚀导致的斗拱损坏及塔身砖块掉落病害，可通过扫描两期数据，进行模型数据偏差分析。以第一期数据为母本，将后期数据与其进行模型叠加差值计算。利用偏差分析技术，计算机可自动识别两期数据塔身变化区域，并可对该区域定量分析，及时有效发现塔身变化区域，为古塔的维护提供基础参考数据。

对云岩寺塔六层南面斗拱进行了两期扫描，通过分析得出的斗拱掉落病害，高亮圆圈区域为计算机自动识别结果。塔身病害3d分析技术，可直观展示出斗拱掉落前后的变化情况，并可定量计算出变化量大小。

由于此次建立的高精度三维立体模型是带有三维几何信息与纹理信息的数据，因此可方便地对其进行分析与量测。如对外壁粉刷层脱落病害进行形态分析与面积统计，为后期维修提供高精度的参考数据。针对塔身裂缝病害，可利用虚拟现实技术实现裂缝的无损标定与量测，能够通过添加照片的方式对裂缝数据进行热点链接，同时进行直观的监测。

基于三维激光扫描技术的文物保护与修复

在对点云数据进行精细建模的基础上，可实现基于计算机技术的文物修复功能，为文物保护提供行之有效的建议。如通过建立塔身三维几何模型，可以直观地发现塔内外文物损坏情况，并根据文物损坏特征，选择合适的曲面空洞修补算法，对损坏的构件进行计算机修复。

此外，可以通过三维激光扫描仪，将由内外表面及断裂面组成的破碎文物实体转化为三维数据模型，然后利用相关计算机技术对数字化文物碎片进行拼接和模型复原。

基于三维激光扫描技术的文物展示与浏览

为直观展示云岩寺塔现状，本项目基于高精度点云数据制作了“数字登塔”系统。通过结合场景仿真建模成果与塔身仿真建模成果，实现了第一人称场景漫游功能。该系统同时集成了文物介绍、技术展示、场景浏览、虚拟拼装、变形监测、塔身漫游六大模块，并可通过网络发布形式让普通群众通过互联网即可走进云岩寺塔。为文物的宣传与展示提供了全新的平台。

基于三维激光技术的文物3d打印技术

通过建立基于点云数据的云岩寺塔三维模型，利用3d打印技术，采用分层加工、迭代成形的方式来打印云岩寺塔整体或局部3d实体，为文物修复与保护提供一种全新的思路。3d打印技术还可以对无法翻模或不适于翻模的文物进行复制，或用于局部残缺文物的修复。这种打印可以按照实际需要来调整比例，这在传统复制上是很难甚至根本无法做到的。