使用Artec 3D掃描與AI攝影測量技術修復荷蘭標誌性風車

 

挑戰：將整座風車內外部結構數位化，為荷蘭基建修復專家在複雜環境下精準修復提供支援。

解決方案： Artec Leo、Artec Ray II、AI Photogrammetry、Artec Studio、DJI drone

效果：產生高精度完整3D的模型，包括風車的外部結構和內部機械裝置，可直接用於測量及備件的逆向工程。

為何選擇Artec 3D？ ：遠端LiDAR Ray II的掃描資料可與AI攝影測量資料結合，即便在難以掃描的條件下，也能創建大型物體的完整3D模型；搭配無線高速的Leo 掃描儀捕捉細節，最終生成的數位孿生具備極高精度，且模型輕量便於導出。

 

4C團隊搭建的Roelofarendsveen風車最終3D模型。圖/4C

 

在建築領域，精準度至關重要，尤其是修復歷史建築和其他珍貴的文化遺產時，更需格外謹慎。

無論是整體抬升、局部加建、結構加固或外觀翻新，若操作不當都可能導致原本就脆弱、不規則的結構坍塌。因此工程師必須在施工前對現場進行測繪，並全面評估潛在風險。

通常，測繪工作依賴地面雷射掃描或LiDAR掃描。但是，許多設備僅能捕捉幾何資料（不包含色彩資訊），生成的是資料量龐大的點雲，而非網格模型，這導致在第三方軟體中處理困難。最大的問題是依賴視線測量，只能捕捉設備視野範圍內的數據。

小型日常物品的3D建模並非難事，但大型基礎設施掃描則必須完整取得高空及難以觸及部位的表面數據－數據不完整的數位孿生可能導致工程失誤，造成經濟損失。

針對這個難題，一位荷蘭修復專家聯繫了4C Creative CAD CAM Consultants（簡稱4C）尋求解決方案，希望以1:1比例還原風車內外結構，為後續修復做準備。最終確定的方案是：採用LiDAR Artec Ray II掃描風車外部結構，同時配合Ray II和無線Artec Leo捕捉風車內部數據，再將無人機空拍影像導入Artec Studio，利用其中的AI攝影測量演算法完成屋頂建模。

 

採用AI攝影測量技術數位重建的風車屋頂結構。圖/4C

 

全方位擷取風車數據

2025年初，4C團隊應客戶委託，於某某寒晨抵達位於阿姆斯特丹與海牙之間的歷史風車遺址，協助進行修復工作。

為擷取風車外部數據，團隊首先部署了Artec Ray II掃描器。這款掃描器可用三腳架固定架設，最遠掃描距離達130米，可快速部署與自動全景掃描，其視覺慣性系統還具備即時追蹤能力。在此專案中，Ray II成功取得了風車葉片與磚結構外牆的高精度掃描數據，但未能擷取到屋頂區域的數據。

為此，4C公司負責人Edwin Rappard採用了大疆無人機進行補充採集。 AI攝影測量相容影片格式，這讓屋頂掃描變得輕鬆不少。即便Rappard對無人機操作不熟悉，但他只需操作無人機環繞風車飛行，按下錄製按鈕，即可獲得清晰的屋頂影像。

完成風車外部數據收集後，團隊仍需取得風車內部結構數據，內部有一套驅動風車旋轉的複雜齒輪系統。 4C團隊選擇了Artec Leo無線手持掃描器（掃描速度達3,500萬點/秒）進行內部數位化。 Leo輕巧便攜，技術人員得以在寒冷狹窄的內部空間快速、精準地完成全部掃描。

考慮到不同掃描器捕獲的數據可以在Artec Studio中合併，團隊在風車內部空間允許的區域採用了Artec Ray II 進行掃描。親自參與作業的4C公司3D掃描專家Bart Wever 表示，Artec 3D 掃描方案非常契合本次專案需求，成功擷取了精密檢測所需的所有資料。

 

4C團隊最終完成的Roelofarendsveen風車內部結構3D模型。圖/4C

 

Wever 解釋道：「整個過程的最大挑戰在於對齊風車內外部的兩個數據集，因為風車入口有限，只有一個小前門和一個後門，很難同時獲取內部和外部的掃描數據，準確對齊。不過Ray II掃描儀讓我們順利完成了任務。最後生成了數據對齊且完整的3D 模型。」

“我們沒有使用任何標定板或標記點來對齊數據。Ray II 的視覺慣性系統（VIS）非常出色，整個過程絲滑流暢！”

在Artec Studio中合併資料集

將三種截然不同的資料集合併在一起看似複雜，但事實並非如此，Artec Studio極大地簡化了整個流程。該軟體的多解析度融合演算法讓4C 團隊能夠從每次掃描中提取最高解析度的數據，進而建立出細節豐富的模型。隨後使用攝影測量產生屋頂網格，並將其與高精度資料集整合。

值得注意的是，Wever發現，靈活使用Artec Studio中的各種工具，可以將收集到的資料分為多個連貫部分，並在導入後重新整合。如此一來，有效避免了因資料量過大而導致電腦運作負擔過重的問題。此外，Artec Studio的掃描抽取功能也能達到類似效果－透過減少多邊形數量讓3D模型更方便處理與應用。

 

在Artec Studio中以X光模式呈現的風車模型。圖/4C

 

此方案的另一個優點在於，可將攝影測量資料等比縮放至Ray II掃描尺寸，進而產生紋理生動逼真的1:1比例的3D模型。

整體而言，資料集的整合實現了驚人的細節捕獲效果——從狹窄的葉片間隙、每一個輪齒，到風車的三個樓層，皆清晰可辨。 Wever認為此次採集的資料精準，若該旋轉系統需要維護，這些資料可直接用於逆向工程並製造可投入使用的零件。

「對於這類建築來說，1毫米的容差已經是相當準確了。Leo完全能夠勝任3D模型的捕獲工作，並精準還原各個齒輪。」Wever解釋道，「這些齒輪相當大，一個巨型齒輪驅動著整個結構運轉。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。」

建築領域的未來機會？

4C團隊最終採集的風車資料完全滿足修復工程精度要求。但他們的探索並未止步——團隊認為，Artec 3D將3D掃描與攝影測量結合的獨特方案，能夠應用於更廣泛的基礎設施領域。

4C在Artec Studio中搭建的風車3D模型。圖/4C

 

Rappard表示，AI攝影測量對3D掃描而言可謂是“錦上添花”，並稱“市面上沒有其他軟體”能像Artec Studio 這樣高效整合多種3D數據集。他認為，相較於海量的點雲數據，高精度3D網格模型有助於建築師和工程師在測繪領域實現新的突破。

「結合使用Ray II、無人機、Leo，是數位化保護文化遺產的理想方案，這種技術組合在建築領域同樣具有應用潛力。」Rappard總結道，「記得我們剛接觸3D掃描時，跟宣傳大使一樣，向人們推廣3D掃描的優勢。如今，3D掃描已在工程領域廣泛應用，但在建築行業，它仍能讓人耳目一新。」

顯然，傳統技術在建築領域仍占主導地位。但隨著4C等專業3D 掃描專家團隊的努力，Artec 多樣化的3D資料擷取方案必將為產業現代化進程開闢新的技術路徑，讓我們拭目以待。

 

 

故事背後的掃描儀