激光掃描歷史建筑精細化重建與部件化管理

李敏珍，劉春，周源

（同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092）

激光掃描歷史建筑精細化重建與部件化管理

李敏珍，劉春，周源

（同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092）

針對歷史建筑三維重建的精度要求高、產生部件信息數量多的問題，提出地面激光掃描的高精度精細化模型重建的方法以及對模型進行部件化管理的策略。基于上海外灘歷史建筑群，在三維激光點云數據所獲取的高精度建筑物空間信息的基礎上實施精細化模型重建，細化建筑物的空間信息；針對歷史建筑的特點，對建筑物模型信息和對應的屬性信息進行多層次部件化管理。最后以具有典型外灘歷史建筑特征的亞細亞大樓為實例，基于以上方法構建歷史建筑數字檔案。成果表明，重建模型達到建筑保護的精度需求，以部件為基本單位的方式可以有效地組織和管理海量模型信息和屬性信息，并且信息的統計、歸納、調用也更為便捷。

地面激光掃描；歷史建筑；建筑模型構建；建筑保護；點云數據

0 引 言

優秀歷史建筑一般集文化性、歷史性、藝術性價值于一體，是歷史文化遺產的重要組成部分。歷史建筑的全息信息，尤其是空間信息，是保護與維護歷史建筑的重要依據。歷史建筑的信息具有種類來源多樣性、空間分布復雜性、隨時間變化時態性以及彼此協同關聯性等特點［1］。傳統歷史建筑測繪主要采用標尺、手持激光測距儀、樓板測厚儀、全站儀等傳統儀器對歷史建筑進行測量。這些傳統的測量方式不僅需要消耗大量人力物力，所獲取空間信息的完整度和準確性難以保證，還極有可能對歷史建筑造成破壞。近年來，作為非接觸的測量新技術，地面三維激光掃描技術已成為了獲取建筑物空間信息的重要手段［2－3］。由于地面三維激光掃描技術能夠在不接觸建筑物的情況下快速獲得空間精準、采樣密集、信息豐富的三維點云數據，因此也逐漸被應用在歷史建筑文物保護領域［4］。如2004年，敦煌研究院、武漢大學和浙江大學合作推進的文化遺產保護項目－數字敦煌中，就采用地面三維激光掃描技術建立石窟三維數據模型，并結合高精度紋理影像建立逼真數字石窟模型和數字敦煌檔案［5］。2006年，清華大學古建筑保護研究所和地球空間信息研究所合作使用地面三維激光掃描儀對北京故宮進行掃描，繪制出了梁架平面、剖面理想圖，并與現狀點云進行比較得到量化的殘損變形評估［6］。2012年，圣地亞哥加州大學使用地面三維激光掃描技術對約旦的歷史文化遺址Faynan進行了掃描并獲得了三維模型［7］。

目前基于三維激光掃描的建筑物建模方法對建筑物的復原往往過于簡化，難以滿足復雜歷史建筑三維重建的需求［8］。但事實上，如果在三維激光點云數據所獲取的高精度建筑物空間信息的基礎上實施精細化模型重建，細化建筑物的空間信息，如針對建筑部件、細部紋理、構件造型等細部特征進行重建，可大幅簡化同類型、同風格的復雜歷史建筑三維重建工序。針對歷史建筑的特點，對重建模型實施部件化管理，可以解決由精細化建模帶來的部件個數過多、數據量龐大、信息冗余等問題［9］。在此基礎上結合部件的屬性信息，如材質信息、工藝技法、損耗情況等，以及歷史建筑的屬性信息，如規劃圖紙、文字資料、文獻記載，更可滿足歷史建筑保護的各類需求，實現其歷史信息、保護信息、檢測與干預信息的管理，保存歷史建筑的詳實資料，模擬歷史建筑的真實狀態，形成歷史建筑的三維數字檔案，提高其管理與保護的效率與科學性［10］。

為此本文基于地面三維激光掃描技術，以上海外灘歷史建筑群為研究對象，總結了對其進行高精度精細化模型重建的方法以及對模型進行部件化管理的策略，并以上海外灘的亞細亞大樓為實例，實現其三維數字檔案的管理。

1 歷史建筑的精細化三維重建與部件化管理

圖1是本文研究總體架構，歷史建筑三維重建采用三維激光點云精細化模型重建方法。精細化建模能夠在簡化相似類型建筑物重建工序的同時，細化特殊構件的細部特征，為部件化管理提供組織和管理的空間信息基礎。

三維重建模型的多層次部件化管理則是針對歷史建筑的特點，對重建模型實施空間信息組織。通過部件化管理，一方面能減少同類型、同風格的部件空間信息冗余，保留精細化特殊構件的細部特征空間信息；另一方面能為歷史建筑的屬性信息提供信息載體和組織依據。

完成空間信息多層次部件化之后，在空間信息的基礎上組織融合不同層次的屬性信息，可實現歷史信息、保護信息、檢測與干預信息的管理。歷史建筑的精細化三維重建和部件化管理，能夠保存歷史建筑的詳實資料，模擬歷史建筑的真實狀態，實現各類建筑保護的目的。

圖1 研究總體架構圖

1.1 歷史建筑的精細化三維模型重建

歷史建筑的精細化三維模型重建。首先通過地面三維激光掃描技術獲取歷史建筑的高密度激光三維點云數據；然后根據歷史建筑的結構特點實施的精細化重建方案，獲得高精度的幾何模型，并賦予幾何模型高精度實測紋理信息；最終得到符合建筑保護精度需求的高精度重建模型。圖2是本文基于地面激光掃描的歷史建筑精細化三維模型重建的技術流程，主要包括三維點云數據采集、三維點云數據預處理和三維模型重建3個步驟。

在三維點云數據采集過程中，需重點考慮掃描站點的數量與分布設計。掃描站點布設合理才能確保高精確度的整體模型，減少數據冗余，降低整體工作量。影響站點布設的主要因素包括：三維激光掃描儀掃描范圍、站點間數據重疊度、靶球的個數和位置、非目標遮擋等。

三維點云數據預處理包括點云的濾波、平滑、壓縮以及配準處理。點云的濾波、平滑與壓縮處理可減少由環境或儀器本身因素造成的噪聲，降低三維模型重建時需處理的數據量，在確保建筑物特征的前提下合理壓縮點云數據，提高數據的可讀性與可靠性。針對精細化建模的點云數據。點云數據配準通過靶球或建筑物特征點等信息，將各觀測站點掃描坐標系下的點云數據轉換至同一坐標系下，為建筑物三維模型重建進行數據準備。

三維模型重建是歷史建筑空間信息的基礎。其精度決定了歷史建筑保護信息的完善程度。考慮到歷史建筑外貌特征的特殊性以及復雜性，本文根據建筑物特征點構造規則幾何模型與曲面模型的方法建立幾何三維模型，并在此基礎上進行真實紋理信息映射。歷史建筑的三維模型重建主要采用了4種關鍵技術以提高模型重建精度。

（1）建立建筑物獨立坐標系。根據建筑物的對稱性和規則性以及各自的建筑特點，建立獨立坐標系，可以在構件過程中保持部分結構的垂直正交，并且使建模過程具有可重復性。

（2）分割整體點云數據。由于歷史建筑結構復雜，在龐大密集的點云數據中，無法分析出建筑物局部的特點和結構。通過對點云數據的分割，可以更清晰地剖析建筑物結構，提高建模精度，同時也降低對計算機硬件的需求，并提升了作業效率。

（3）對點云數據進行切片處理。該操作以微小單位對點云數據進行任意形式的剖切。通過分析點云厚度產生的原因，可截取不同形狀和材質的點云切片，用于分析建筑結構和部件布局，得到傳統意義上的平面圖和剖面圖，從而在反映建筑結構細微特征的同時，獲取建筑物微小的殘損變形，以便進行后續的保護修繕工作。

（4）真實紋理信息映射。將實地采集的真實紋理信息進行全貌分析，依據紋理位置進行處理、分類、編號、建庫，將其賦予到幾何三維模型上。模型的紋理渲染建立了紋理信息與不同類型的部件以及與每一個具體部件的相互對應關系，從而真實反映建筑物狀態，達到為建筑修繕維護提供依據的目的。

1.2 歷史建筑三維重建模型的多層次部件化管理

歷史建筑三維模型的部件化管理從空間信息和屬性信息的角度分析歷史建筑的分層特點，對三維模型信息進行多層次部件化的組織與管理。

（1）歷史建筑的空間信息組織

在三維模型中，空間信息以點、線、面等幾何要素形式直接儲存在空間數據文件里［7］。雖然，這些要素能精確表達建筑物的邊界和坐標位置，但是無法體現建筑物，尤其是歷史建筑的特殊建筑結構。歷史建筑的精細化三維建模則不僅要得到精確的邊界和坐標位置，更要保留建筑物的空間特征。因此本文從建筑物主體開始將其逐層分解，并以部件為單位組織空間信息，從而達到既保留建筑部件的共性同時又能突出特性的目的。針對上海外灘歷史建筑群的建筑特點，本文將其建筑空間信息分為5層，如圖3所示。

圖2 數據采集、預處理及模型重建基本流程圖

圖3 歷史建筑信息模型數據層次結構

第1層是建筑物主體。建筑物主體部分主要反映歷史建筑的整體造型、建筑風格，儲存樓宇整體的空間信息。

第2層為部件大類。構成外灘歷史建筑主體的部件分為6個大類：墻體、窗戶、門、浮雕、欄桿、特殊構件。

第3層為部件子類。該層將部件大類進一步細分，如窗又可進一步分為凸窗、百葉窗、牛眼窗等部件子類。子類中的部件在結構、材質等特征上具有共性。通過調用空間信息庫當中的部件子類模型信息，可以簡化建筑物三維模型重建的工序。另外，統計分析部件子類的數量、分布與構造等信息可以歸納其歷史建筑的異同點。

第4層為具體部件。盡管同屬于一個部件子類的部件在結構、材質上相同，但是它們的損耗情況和紋理信息不可能完全相同。將部件子類進一步細分為具體部件，能保留空間模型細節的真實狀態。

第5層為部件構件，為歷史建筑空間信息管理的最小單位。建筑物空間模型中的具體部件均可由不同種類、數量的構件組合而成。部件構件包括不可細分的基本模型體（長方體、圓柱體、角錐體等），以及由基本模型體通過布爾運算得到的復合模型體。

（2）部件的屬性信息組織

歷史建筑的屬性信息是其歷史、藝術、科學價值的重要組成。在歷史建筑空間信息的基礎上組織其屬性信息，能使該類信息更加直觀、易于管理。歷史建筑的屬性信息類型多樣，包括構造信息、材質信息、細部紋理、材質信息、工藝技法、損耗情況、文字說明、修繕記錄等。本文通過歷史建筑三維空間模型中的部件化管理層次來組織其屬性信息，實現其空間信息和屬性信息的綜合管理。部件化管理歷史建筑屬性信息的優點在于直觀化復雜的屬性信息，深化單純三維空間模型的內涵，優化屬性信息的管理。其中，分屬同一空間層次的屬性信息便于規范與統一，能簡化屬性信息管理方式；不同空間層次之間的屬性信息能夠相互支持與補充，能完善建筑信息的完整性、邏輯性和多樣性。通過三維空間模型組織屬性信息有助于理解歷史建筑的設計意圖和手法、掌握部件的基本狀況，從而更有效地制定合理的保護方案。

因此，根據空間信息部件化管理的結果，屬性信息可以分為3類，如表1所示。

第1類為建筑物主體的屬性信息。如表1第1列為建筑物主體表的字段設計，其中包含建筑物的基本概況，如位置信息、建筑物風格信息等。其中建筑物建筑編碼是用于區分歷史建筑的唯一識別碼信息。

第2類為部件子類的屬性信息，該層包含每一種部件子類的工藝信息、紋理信息和材質信息（如表1第2列）。通過建筑編碼字段與建筑物主體表連接，可以獲得部件子類的具體數量和分布，從而更直觀地了解建筑風格、格局、保存狀態。

第3類是具體部件，能夠記錄建筑物上每一個具體部件的真實狀況，包括施工信息、損耗情況、修繕記錄、位置信息等。通過部件子類編碼與部件子類表連接，不僅能獲取該部件子類所有具體部件的分布和數量，還可以從具體部件的保存狀態出發，統計部件子類的整體狀況，實現預測，如制定牛眼窗在一定期限內維護或轉移的保護計劃。

表1 歷史建筑屬性信息表

2 上海外灘歷史建筑三維數字檔案應用實例

上海外灘歷史建筑群是全國重點文物保護單位，優秀歷史建筑集中。由于自然和人為的因素，外灘歷史建筑群經受了相當程度的損害，需要科學的保護和管理。其中的亞細亞大樓被譽為“外灘第一樓”，是極具有代表性的歷史建筑之一。亞細亞大樓的測量環境較好，建筑結構、建筑風格鮮明，可數字化程度高，故本文以亞細亞大樓作為實例研究。

2.1 外灘歷史建筑的模型重建與模型信息部件化

（1）數據獲取及預處理

使用RIEGL VZ－1000地面三維掃描儀采集上海外灘建筑群中的亞細亞大樓的三維激光點云數據。使用RIEGL公司的RiScan軟件實現點云數據的濾波、平滑、壓縮及配準等預處理。采集數據的噪聲來源主要為移動的車輛、行人和遮擋物，噪聲較為明顯，故采用人工判讀刪除類點的方式達到去噪聲的效果。圖4為經過預處理的點云數據。

圖4 經預處理的亞細亞大樓三維點云數據

（2）建筑物三維模型的重建

完成三維點云數據的預處理之后，使用具有強大點云分析功能的軟件——Pointools for AutoCAD實現亞細亞大樓的三維幾何模型重建工作。在3DSMAX環境下對重建的三維幾何模型賦予紋理信息并進行渲染，亞細亞大樓的最終模型成果如圖5所示。

圖5 亞細亞大樓最終模型成果

（3）部件空間信息和屬性信息組織與管理

在空間信息組織上，與前文所提一致，亞細亞大樓的空間信息分為5個層次：第1層為亞細亞大樓主體；第2層為6種部件大類，墻、門、窗戶、浮雕、欄桿和特殊構件；第3層為部件子類；第4類為具體部件；第5類為部件構件。屬性信息有3類：第1類建筑物主體屬性信息；第2類部件子類屬性信息；第3類具體部件屬性信息。以部件大類中的窗戶為例，窗戶具有16種部件子類，例如部件子類中的C1025－1牛眼窗、C1025－1凸窗。部件子類對應多個具體部件，如部件大類編碼為C1025－1的牛眼窗對應部件編碼為C1025201、C1025202等同類型窗戶。通過建筑物編碼、部件子類編碼、具體部件編碼的連接，可以實現屬性表之間的查詢。

（4）數字檔案系統平臺搭建

通過配置輕量級Tomcat服務器，設計HTML和腳本語言Javascript的頁面和功能，調用Virtools三維模型的預設動作，安裝3DVIAplayer插件從而實現Web可瀏覽性，最終成功搭建歷史建筑三維數字檔案系統平臺。

2.2 外灘歷史建筑數字檔案系統

外灘歷史建筑三維數字檔案系統實現對外灘建筑群中的亞細亞大樓的數字檔案管理。主界面及界面各個板塊如圖6所示。系統實現的功能包括：

（1）模型展示

歷史建筑的視圖切換包括對模型的拖拽、移動和縮放，能夠讓使用者全方位地觀察建筑物，同時右側屬性欄會出現當前展示的部件信息和維修記錄。

（2）數據庫查詢

該系統一共有2個模塊，“建筑單體模型”“修繕維修”。在“建筑單體模型”模塊中可以通過點擊部件子類中的記錄或者直接輸入查詢目標選擇具體部件，系統在主窗體實時定位到該部件位置，同時顯示具體部件的屬性信息。而“修繕維修”中可以通過查詢修繕記錄或者具體的部件，來獲得相應的信息。

（3）空間分析

在歷史建筑三維數字檔案的虛擬環境中，可以根據已建立的數字檔案對歷史建筑的要素進行比較和分析，并與歷史數據進行比對得出殘損量，建立評估體系，以便對細部和裝飾殘缺的或已經破壞的歷史建筑進行復原［8］。

圖7給出的是對具體部件進行查詢定位的界面，右側是獲得的屬性信息及修繕記錄。

圖6 系統界面展示

圖7 定位功能及修繕查詢功能展示

3 結束語

本文基于地面三維激光掃描技術，從歷史建筑保護的角度出發，精細化其三維點云模型重建方法，以達到滿足建筑保護的精度需求。在重建模型的基礎上，根據建筑物的層次特點，提出多層次部件化管理的方法，實現模型信息組織管理。部件化管理能夠細分重建模型至部件層次。以部件為基本單元的管理方式使歷史建筑各類信息的統計、歸納與調用更為容易；建筑物的模型信息的管理也更為有效。在實例研究中，本文通過歷史建筑三維數字檔案系統實現了多種技術的綜合運用，展示了部件化管理的成果，對歷史建筑的數字化應用的發展能起到一定的借鑒作用。

致謝：感謝上海市測繪院浦東分院為本研究所提供的激光掃描實驗數據。

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Historical Accurate 3D Reconstruction and Hierarchical Componentize Management Using Terrestrial Laser Scanning

LI Min－zhen，LIU Chun，ZHOU Yuan

（College of Surveying and Geo－informatics，Tongji University，Shanghai 200092）

In order to meet the accuracy requirement for historical building reconstruction and solve the massive component management problem，accurate historical building 3dreconstruction and hierarchical componentize management were proposed respectively in this paper.The architecture models are reconstructed accurately based on intensive point cloud data that collected via the Terrestrial Laser Scanning（TLS）technology.Besides，hierarchical componentize management organizes the spatial information and attributive information of models according to the historical building characteristics systematically.The result of case study shows that the reconstruction model could meet the accuracy requirement for architectural conservation，and the systematic methods could organize and manage large scale and redundant spatial and attributive information efficiently.

terrestrial laser scanning；historical architecture；3Dmodel reconstruction；architecture reservation；point cloud

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.06.004

P232

A

1000－3177（2015）142－0018－06

2014―05―09

2014―10―08

國家自然科學基金（41371333）。

李敏珍（1990—），女，碩士，主要研究方向為激光掃描數據處理。

E－mail：1335488＠tongji.edu.cn

劉春（1973—），男，教授，工學博士，主要研究方向為三維激光掃描數據處理、地理信息方法與環境遙感。

E－mail：liuchun＠tongji.edu.cn