激光遥感技术

摘 要：激光遥感技术的应用是日前古建筑和历史街区保护的新契机.本文首先介绍了激光遥感技术的原理和应用现状；然后重点阐述了基于激光遥感技术的古建筑保护,包括：古建筑量测、古建筑三维重建和基于三维重建古建筑保护应用；并阐述了基于激光数据的历史街区三维重建及基于重建的历史街区保护应用；最后分析了激光遥感技术在古建筑与历史街区保护中的应用前景和亟待解决的问题.

关 键 词：激光遥感技术；古建筑保护；历史街区保护；三维重建

Abstract：Nowadays,theapplicationoflaserremotesensingisagreatchanceforprotectingancientarchitecturesandhistoricdistricts.Thispaperintroducestheprinciplesandapplicationsoflaserremotesensingtechnology,thenitfocusesonthelaser-basedofancientarchitectures:measurement,3Dreconstructionandtheapplicationofprotectingancientarchitecturesbasedon3Dreconstruction,Anditexpoundsonthelaser-based3Dreconstructionofhistoricdistrictsandtheapplicationofprotectingandredevelopinghistoricaldistricts,Finally,itanalysestheprospectsandproblemsthatneedurgentsolutionoftheprotectionofancientarchitecturesandhistoricdistrictsbasedonthelaserremotesensingtechnology.

Keywords：laserremotesensing；protectionancientarchitecture；historicdistrict；3Dreconstruction

中图分类号：O433.5+4

文献标识码：A

文章编号：1008-0422(2008)02-0121-04

城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉,是城市根源的具体体现.随着经济社会的发展,必须采取积极的手段进行保护、利用古建筑及历史街区.保护和利用过程需要对古建筑进行维护、整理或修复,同时也需要保护或恢复历史街区的空间格局与尺度.国家重大古建筑在大规模修复前要求进行精确的测绘工作,以取得较完备的科学记录档案,为古建筑规划保护和修复提供第一手资料,同时也是研究中国古建筑史和建筑理论的重要资料[1].因而对于保护、利用古建筑及历史街区,测绘和记录两者的完备资料是最为主要的.

1激光遥感技术的介入

传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构,但由于技术手段的局限,难以对古建筑进行快速测绘和对整体立体空间进行清晰的表达.据文物部门统计,我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处,古建筑的保护、抢救及修复的工作量非常大,而传统的建筑测绘和资料整理的方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要.

新型传感器――地面激光扫描仪和配套的专业数码相机融合了激光扫描及遥感等技术,可以同时获取空间三维点云(Pointcloud)和彩色数字图像(Colorimagery)两种数据,扫描点空间定位精度达到5~10mm的扫描精度,使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点.近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面,特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面.

激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空间,完整描述建筑物的每一个关键要素,因此可以为古建筑保护与更新提供真实准确的三维模型.保护方案依据真三维模型来制定,不仅提高工作效率,而且修复计划的精细程度和表现效果大为提高.因此,利用地面激光扫描仪进行古建筑和历史街区的保护具有重要现实意义,也是一项高科技的文化工程.

2激光遥感技术的应用现状

2.1三维激光影像扫描技术原理

本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术,三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”,它利用三维地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作,并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据,同时,它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如:测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等)[2].所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用.

在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸,完全可以代替传统的测量方式.三维激光影像扫描仪的单点精度,一般可以达到毫米级,这对于古代建筑物的几十米体量来说,精度已经够用,并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2].三维激光扫描最大的意义在于效率高,激光扫描内外业所需时间往往只有传统方法测量的1/20.另外传统方法只测到了物体部分点的数据,而激光扫描则测量到了物体的全部细节.

2.2激光遥感应用现状

激光遥感应用范围非常广泛,主要包括对地形、建筑物以及其他对象进行高精度测量.

2.2.1带状地形测图数据采集

地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描.在具有一定重复扫描区域内,进行三维影像拼接和合并生成带状影像图.通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中,用地形和地物的三维点云数据建立模型,生成带状地形图.对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量,较常规测量速度快、精度高[3].

2.2.2建立高精度的数字地面模型和城市模型

三维激光扫描影像数据作为GIS系统和数据库更新的重要来源.采集的三维点云数据经过拼接和合并后,进行数据预处理剔除粗差数据,运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据.地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型,地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维模型的建立.

2.2.3古文物建筑物测量及逆向工程应用

地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供怎么写作.能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量,大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作.

1999年,来自斯坦福大学和华盛顿大学的一个30人小组使用三维激光扫描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了测量,近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4].举世闻名的中国山西大同云冈石窟,时下正由文物管理专家展开三维激光测绘,并绘制精确的“三维立面图”,以便对五万余尊千年古佛像进行保护和修复.正在进行的北京故宫修复工作中运用了多项现代测绘技术,其中包括激光扫描,它具有快速、精确、多方位的特点,为古建筑测绘探索新的途径.

2.2.4其它方面的应用

此外,地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和大型水利工程安全监测与研究等方面[3].

3基于激光数据的古建筑保护应用

3.1古建筑量测

目前很多古代建筑缺少可用的CAD数据,即使建立低水平的细节CAD模型,也需要借助测量和其他方法,必须进行大量耗时的,成本高昂的,而且非常困难的测量,更不用说制作正射影像了.数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种.由于其包含的信息丰富、直观性强,具有可量测性,因而受到人们的广泛关注[5].

采用三维激光影像扫描技术,能在不损伤建筑物的条件下,快速采集古建筑物外部表面的精确数据.通过使用软件,可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息,再经过加工便制作成正射影像,向用户展示一个完全的实景彩像.如图1所示.相对于以往近景摄影来说,正射影像具有更为精确的可量测性,古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量,如图2所示.借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图,如图3所示.

3.2古建筑三维重建

古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素,其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]：①CAD木构件数本身存在的问题,CAD木构件模型是早期利用AutoCAD软件建立的线框图,由于线框模型只有点和直线段,没有给出模型的表面信息,因此无法得到有关表面属性的拓扑信息和几何信息,无法得到正确的几何模型信息化成为古建筑三维重建的关键问题所在；②纹理材质的表现,纹理和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外,还能在一定程度上展现建筑物的风格.古建筑除了其造型独特之外,其色彩装饰的运用也是一大特色：古代匠师们根据色彩对人们生理和心理所起的作用,采用色彩明暗的对比和冷暖色调调和的手法来营造各种不同的色彩环境.古建筑物这种复杂的色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理和材质映射的难度.

而基于激光数据的古建筑三维重构就是以古建筑木构架体系为知识体系,实现“古建筑的数字化”,在计算机环境下从原有的无规则点云数据中高精度提取古建筑的表面特征,利用规则的形状实现模型的表面重建,再现实际古建筑的立体轮廓和真实纹理,完成复杂古建真三维的几何表达,使得古建筑在三维表达上完全可以避免以上提到的两个问题.所以图4所示为基于三维激光扫描数据进行三维重建的福州市孔庙三维模型.

另外从微观上来看,古建筑还包含一些具有表面形态丰富多彩的艺术品,如石雕、砖雕、木雕、彩画等,这部分的重建由于形态各异,在重建方面其对精确度和色彩真实性的要求更为严格,以往的三维重建技术手法根本难以满足其要求,而利用三维激光影像扫描技术获取到的激光数据无论在精确度还是在色彩真实性上都可以用于艺术品的精细重建.在著名的米开朗基罗项目中,激光扫描可以精确地得到雕像的每个细节,目标点的距离测量精度实际达到了±0.25mm,另外还拍摄了7000幅的彩色数码相片用于渲染贴图,最终的大卫雕像模型包含了20亿个多边形,其模型采用高密度的Mesh模型真实地表现建筑物中艺术品细腻的形态[4].

3.3基于激光数据的古建筑保护应用

通过对古建筑进行量测和三维重构,古建筑保护利用可以有以下几个方面：

3.3.1对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复原

利用形状匹配技术,通过三维激光设备将文物数字化,通过空间曲面轮廓线的提取,并根据轮廓线的匹配结果可实现残损文物的拼接复原.主要由曲面模型的匹配拼接、三维曲面模型的融合和曲面的三维编辑,构造自动拼接与手工调整相结合的文物复原过程模型,最后将三维计算机模型送入快速成型设备复原微缩建筑进行实体检查,为文物研究及文物保护提供准确的科学数据.

3.3.2对典型建筑构件、营造技术或法式进行分析与剖视

对台基、石雕、门窗、柱、柱础、屋檐、斗拱、梁、檩、屋顶等典型建筑构件进行分析、剖视、建模,及搭建过程的演示.

4基于激光数据的历史街区三维重建

基于激光数据的历史街区三维重建主要是对历史街区进行特征分析,屋顶、墙体、街道等要素的重建.

4.1三维重建必要性

历史街区保护的原则之一：“原真性”与“可读性”相结合.要保持或恢复街区的传统风貌,“原真性”是历史街区保护与更新的一个首要原则.为使街区恢复“原汁原味”,三维激光影像扫描技术可以进行充分地现场测绘,并可以获取详细的照片,然后按照“整旧如故,以存其真”的原则,依据每一幢建筑不同的建造年代、建筑风貌及建筑质量就可以进行三维重建,从而达到保护和修缮的目的.另外基于激光数据的历史街区三维重建可以快速地表达一个完整而具有特色的空间形态,使“可读性”成为可能.

4.2基于激光数据的历史街区三维重建

传统的用于街区建筑物批量建模的方法有两类：一类是采用商品化建模软件进行建模,另一类是根据采集得到的观测数据进行建模[7].即：①采用商品化建模软件的建模方法是利用一些专门用于建模的商品化软件(如：AutoCAD,3Dmax,Maya,MultiGen等),基于原有的CAD设计图纸和数据,利用AutoCAD＋3DS软件建模,最后通过函数接口读入程序中,从而能够真实表达建筑物内部的细节特征.这些文件中已将模型剖分为空间三角网,我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位,同时到实地拍摄建筑物的影像,运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理,贴附于模型之上,从而实现建筑物模型的重建.②三维几何自主建模这种建模方法是对建筑物进行三维几何表示,它可以看作是从实际三维物体到物体模型的映像,但是目前这些重建方法一是建模精确不高,二是建模的工作量大.

基于激光数据历史街区的三维重建主要是利用现有的激光点云数据快速地提取矢量化的建筑群模型,是工作量和模型精准度都优于传统的建模方法,目前国外很多学者在对基于激光的建筑物模型自动提取的研究做深入的研究,并取得一定成果,这为历史街区三维重建提供了极大的便利.建筑物模型自动提取主要包括：①获取建筑物的近似大小(长、宽、高)；②区分出平顶和尖顶房屋；③区分出建筑物是矩形、T、L、U和十字形状；④获得主要的屋顶面的个数和形状；⑤检测并分离距离较近的建筑物；⑥清除屋顶面上的扰动或者噪音（包括天窗和烟筒）；⑦检测出屋顶上的小建筑并将他们合为一体[8].图5是福州市三坊七巷历史保护街区现场测绘的激光点云扫描后恢复的三维场景.

4.3历史街区三维重建的应用

4.3.1提高历史街区保护与更新中的公众参与程度

纵观历史街区保护与更新的理论和实践的发展过程,可以看出,历史街区的保护更新离不开生活在其中的公众的参与和支持,历史街区的改造和公众的参与就像“鱼和水”的关系一样,是相互依赖、共同生长和发展的.当今历史街区保护更新的发展趋势也渐渐向公众参与的方向发展,小规模改造、“微循环”式的改造都离不开公众全方位的参与和支持.三维重建后的虚拟历史街区将继续秉承虚拟现实的优势,增强公众对改造后街区在感官上的认识,从而提高历史街区保护与更新中的公众参与程度.

4.3.2多种历史建筑要素的比较以及综合或专项评价

三维重建后,通过搜索出历史建筑要素的边界,求出轮廓线,然后将研究对象与建筑图库中不同历史年代对应元素进行比较,便可作出评价和结论.

4.3.3对木构做法、建筑格局进行深度分析

建筑格局比较复杂,主要有庭院式布局(廊院式、合院式)；非庭院式布局(贯联式布局、联排式布局、散点式布局).通过三维重建,搜索出所有建筑的边界、中心、法线方向,最后由专家根据自然环境、风水、民俗等进行评价,并做出结论.

总之,通过对历史街区的特征着手分析,如：①有序的鱼骨状街坊格局；②连绵起伏的屋脊,坡屋顶构筑的天际轮廓线；③街巷口门拱门楼、粉墙灰瓦、朱门雨檐门斗、条石路面等独特内涵构成的连续坊巷界面；④是组合多进式、前堂后寝边花厅式的平面布局；⑤是“观音兜”式封火墙、夯土防火墙、飞檐翘角等墙式；⑥是以石、土、砖、木等的建筑材质.这些特征,极大地优化了所得的激光数据,为历史街区三维重建及肌理分析打下了良好的基础.

5前景及存在问题

5.1前景

5.1.1潜在用户

国家建设部已经正式批准了100余座历史文化名城,其中绝大部分都存在古建筑的保护与利用问题,如北京的故宫、福州的三坊七巷等.据文物部门统计,我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处.利用激光扫描技术快速构建古建筑三维模型的技术方法,具有重要的理论意义和应用价值.各历史文化名城的规划建设部门和文物保护单位都将是该应用的潜在用户.

5.1.2市场前景

随着激光扫描硬件软件性价比的不断提升,古建筑空间结构的快速三维重构技术将受到各类用户的青睐.已修复完成的地区可以利用该技术建立历史街区的完整三维虚拟模型,用于展示和推广(包括网络上的推广)；尚未修复的地区在建立三维虚拟模型之后,可以利用三维设计CAD软件对修复工作进行方案设计,从而显著提高工作效率.因此,该技术成果将具有良好的市场前景.

5.1.3经济效益及社会作用

由于存在较大的潜在市场,成果将会产生良好的经济效益.由此带来的城市历史文脉的保留与延续,则有利于提升城市的品质,激发城市居民的归属感和自豪感,从而产生积极的社会意义.

5.2存在的问题

激光遥感技术虽然已经被广泛地用于古建筑物的重建工作中,但是仍然存在很多的问题需要解决.各种普通的特征提取与处理算法直接应用于古建筑物重建中还有一定距离,自动化程度较低是目前困扰实际应用的一个重要难题,也是日后该应用研究力求解决的重要问题.

5.2.1三维点云数据特征检测.由于建筑物年代久远、表面粗糙,给特征检测中的阈值设定带来了困难；另外,古建筑物的结构复杂,表面形状多变,难以用一种或几种形状表达.此外,在三维空间下的特征检测本身就比较复杂.

5.2.2古建筑物模型重建.古建筑物重建过程中需要涉及到具有规则几何形状和任意形态的两种类型的部件,如何界定并分离这两种部件是比较困难的工作.由多个简单几何形体构成复杂结构的识别与重建也是十分复杂,一方面几何的复杂性增加了特征检测的不可靠性,另一方面,几何的复杂性也给结构的重建和表达带来了困难.

5.2.3古建筑物纹理的提取

纹理可以充分表现建筑物的光影信息,使结果更加真实.正常的纹理产生可以通过提取每一个部件的纹理,使用多站点下纹理数据的融合实现,但是融合过程中如何选择最优的规则是一个技术难点.另外,当纹理缺失时,通过纹理的近似程度,从已有的数据中寻找近似纹理数据完成纹理缺失区域的补充是非常复杂的问题.

[4]张远智,胡广洋,刘玉彤,王庆洲.基于工程应用的3维激光扫描系统[J].测绘通报,2002(1):34-36.

[5]万霞,郦淑俊,王朝晖.一种快速的正射影像制作方法[J].现代测绘,2006,29(2):34-35.

[6]夏慧琼,朱庆,张叶廷,龚俊,杜志强.基于CAD与GIS集成的仿唐古建筑景观的三维重建方法[J].武汉大学学报(工学版),2005,38(5):114-119.

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