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在建筑領(lǐng)域，精度至關(guān)重要，尤其是修復(fù)歷史建筑和其他珍貴的文化遺產(chǎn)時(shí)，更需格外謹(jǐn)慎。無(wú)論是整體抬升、局部加建、結(jié)構(gòu)加固還是外觀翻新，若操作不當(dāng)都可能會(huì)導(dǎo)致原本就脆弱、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)坍塌。因此工程師必須在施工前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪，全面評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)。

通常，測(cè)繪工作依賴于地面激光掃描或LiDAR掃描。但是，許多設(shè)備僅能捕獲幾何數(shù)據(jù)（不包含色彩信息），生成的是數(shù)據(jù)量龐大的點(diǎn)云，而非網(wǎng)格模型，這導(dǎo)致在第三方軟件中處理困難。最大的問(wèn)題是依賴視線測(cè)量，只能捕獲設(shè)備視野范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

小型日常物品的3D建模并非難事，但大型基礎(chǔ)設(shè)施掃描則必須完整獲取高空及難以觸及部位的表面數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)不完整的數(shù)字孿生可能導(dǎo)致工程失誤，造成經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)這一難題，一位荷蘭修復(fù)專家聯(lián)系了4C Creative CAD CAM Consultants（簡(jiǎn)稱4C）尋求解決方案，希望能以1:1比例還原風(fēng)車內(nèi)外結(jié)構(gòu)，為后續(xù)修復(fù)做準(zhǔn)備。最終確定的方案是：采用LiDAR Artec Ray II掃描風(fēng)車外部結(jié)構(gòu)，同時(shí)配合無(wú)線Artec Leo捕獲風(fēng)車內(nèi)部數(shù)據(jù)，再將無(wú)人機(jī)航拍影像導(dǎo)入Artec Studio，利用其中的AI攝影測(cè)量算法完成屋頂建模。

采用AI攝影測(cè)量技術(shù)數(shù)字化重建的風(fēng)車屋頂結(jié)構(gòu)。圖/4C

2025年初，4C團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)客戶委托，于某個(gè)寒晨抵達(dá)位于阿姆斯特丹與海牙之間的一座歷史風(fēng)車遺址，協(xié)助開展修復(fù)工作。

為采集風(fēng)車外部數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)首先部署了Artec Ray II掃描儀。這款掃描儀可用三腳架固定架設(shè)，最遠(yuǎn)掃描距離達(dá)130米，可實(shí)現(xiàn)快速部署與自動(dòng)全景掃描，其視覺慣性系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)追蹤能力。在此次項(xiàng)目中，Ray II成功獲取了風(fēng)車葉片與磚結(jié)構(gòu)外墻的高精度掃描數(shù)據(jù)，但未能捕獲到屋頂區(qū)域的數(shù)據(jù)。

為此，4C公司負(fù)責(zé)人Edwin Rappard采用了大疆無(wú)人機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充采集。AI攝影測(cè)量兼容視頻格式，這讓屋頂掃描變得輕松不少。即便Rappard對(duì)無(wú)人機(jī)操作不熟悉，但他只需操作無(wú)人機(jī)環(huán)繞風(fēng)車飛行，按下錄制按鈕，便能獲取清晰的屋頂影像。

完成風(fēng)車外部數(shù)據(jù)采集后，團(tuán)隊(duì)仍需獲取風(fēng)車內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，內(nèi)部有一套驅(qū)動(dòng)風(fēng)車旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜齒輪系統(tǒng)。4C團(tuán)隊(duì)選擇了Artec Leo無(wú)線手持掃描儀（掃描速度達(dá)3500萬(wàn)點(diǎn)/秒）進(jìn)行內(nèi)部數(shù)字化。Leo輕巧便攜，技術(shù)人員得以在寒冷狹窄的內(nèi)部空間快速、精準(zhǔn)地完成全部掃描。

考慮到不同掃描儀捕獲的數(shù)據(jù)可以在Artec Studio中合并，團(tuán)隊(duì)在風(fēng)車內(nèi)部空間允許的區(qū)域采用了 Artec Ray II 進(jìn)行掃描。親自參與作業(yè)的 4C公司3D掃描專家 Bart Wever 表示，Artec 3D 掃描方案非常契合本次項(xiàng)目需求，成功捕獲了精密檢測(cè)所需的所有數(shù)據(jù)。

風(fēng)車內(nèi)部結(jié)構(gòu)3D模型。圖/4C

Wever 解釋道：“整個(gè)過(guò)程的最大挑戰(zhàn)在于對(duì)齊風(fēng)車內(nèi)外部的兩個(gè)數(shù)據(jù)集，因?yàn)轱L(fēng)車入口有限，只有一個(gè)小前門和一個(gè)后門，很難同時(shí)獲取內(nèi)部和外部的掃描數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確對(duì)齊。不過(guò)Ray II掃描儀讓我們順利完成了任務(wù)。最后生成了數(shù)據(jù)對(duì)齊且完整的 3D 模型?！?/span>

“我們沒有使用任何標(biāo)定板或標(biāo)記點(diǎn)來(lái)對(duì)齊數(shù)據(jù)。Ray II 的視覺慣性系統(tǒng)（VIS）非常出色，整個(gè)過(guò)程絲滑流暢！”

將三種截然不同的數(shù)據(jù)集合并在一起看似很復(fù)雜，但事實(shí)并非如此，Artec Studio極大簡(jiǎn)化了整個(gè)流程。該軟件的多分辨率融合算法讓 4C 團(tuán)隊(duì)能夠從每次掃描中提取最高分辨率的數(shù)據(jù)，進(jìn)而搭建出細(xì)節(jié)豐富的模型。隨后使用攝影測(cè)量生成屋頂網(wǎng)格，并將其與高精度數(shù)據(jù)集融合。

值得注意的是，Wever發(fā)現(xiàn)，靈活使用Artec Studio中的各種工具，可以將采集到的數(shù)據(jù)分為多個(gè)連貫部分，并在導(dǎo)入后重新整合。如此一來(lái)，有效避免了因數(shù)據(jù)量過(guò)大而導(dǎo)致電腦運(yùn)行負(fù)擔(dān)過(guò)重的問(wèn)題。此外，Artec Studio的掃描抽取功能同樣能達(dá)到類似效果——通過(guò)減少多邊形數(shù)量讓3D模型更便于處理和應(yīng)用。

在Artec Studio中以X光模式呈現(xiàn)的風(fēng)車模型。圖/4C

該方案的另一優(yōu)勢(shì)在于，可將攝影測(cè)量數(shù)據(jù)等比縮放至Ray II掃描尺寸，進(jìn)而生成紋理生動(dòng)逼真的1:1比例的3D模型。

總體而言，數(shù)據(jù)集的整合實(shí)現(xiàn)了驚人的細(xì)節(jié)捕獲效果——從狹窄的葉片間隙、每一個(gè)輪齒，到風(fēng)車的三個(gè)樓層，皆清晰可辨。Wever認(rèn)為此次采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，若該旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)需要維護(hù)，這些數(shù)據(jù)可直接用于逆向工程并制造可投入使用的零部件。

“對(duì)于這類建筑來(lái)說(shuō)，1毫米的容差已經(jīng)是相當(dāng)準(zhǔn)確了。Leo完全能夠勝任3D模型的捕獲工作，并精準(zhǔn)還原各個(gè)齒輪?！盬ever解釋道，“這些齒輪相當(dāng)大，一個(gè)巨型齒輪驅(qū)動(dòng)著整個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。我們講的不是小型部件，如果空間允許，我相信單用Ray II就夠了?！?/span>

4C團(tuán)隊(duì)最終采集的風(fēng)車數(shù)據(jù)完全滿足修復(fù)工程精度要求。但他們的探索并未止步——團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，Artec 3D將3D掃描與攝影測(cè)量相結(jié)合的獨(dú)特方案，能夠應(yīng)用于更廣泛的基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。

4C在Artec Studio中搭建的風(fēng)車3D模型。圖/4C

Rappard表示，AI攝影測(cè)量對(duì)3D掃描而言可謂是“錦上添花”，并稱“市面上沒有其他軟件”能像 Artec Studio 這樣高效整合多種3D數(shù)據(jù)集。他認(rèn)為，相較于海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高精度3D網(wǎng)格模型有助于建筑師和工程師在測(cè)繪領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的突破。

“結(jié)合使用Ray II、無(wú)人機(jī)、Leo，是數(shù)字化保護(hù)文化遺產(chǎn)的理想方案，這種技術(shù)組合在建筑領(lǐng)域同樣具有應(yīng)用潛力。”Rappard總結(jié)道，“記得我們剛接觸3D掃描時(shí)，跟宣傳大使一樣，向人們推廣3D掃描的優(yōu)勢(shì)。如今，3D掃描已在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在建筑行業(yè)，它仍能讓人耳目一新。”

顯然，傳統(tǒng)技術(shù)在建筑領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位。但隨著4C等專業(yè) 3D 掃描專家團(tuán)隊(duì)的努力，Artec 多樣化的3D數(shù)據(jù)捕獲方案必將為行業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程開辟新的技術(shù)路徑，讓我們拭目以待。

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崔云峰

  上海滬敖信息科技

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     滬敖3D是一家致力于三維數(shù)字化行業(yè)解決方案的技術(shù)型企業(yè)，擁有豐富的三維項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，公司以行業(yè)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，為客戶提供三維數(shù)字化采集、三維數(shù)據(jù)處理、三維數(shù)據(jù)管理等一系列應(yīng)用服務(wù)。

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