基于三維的古建筑精細(xì)化管理研究

張輝

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038)

基于三維的古建筑精細(xì)化管理研究

張輝*

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京 100038)

對古建筑的保護(hù)一直是近些年來研究者們關(guān)注的課題，傳統(tǒng)的二維平面圖無法精細(xì)管理至構(gòu)件，三維模型能夠從空間上立體展示古建筑的結(jié)構(gòu)，為古建筑的保護(hù)與管理提供技術(shù)支撐。本文以故宮齋宮為例，利用三維激光掃描的方法進(jìn)行精細(xì)建模，結(jié)合古建保護(hù)業(yè)務(wù)，對三維模型數(shù)據(jù)中每個構(gòu)件及其檢查項(xiàng)進(jìn)行編碼，能夠在古建筑的檢查中做到不丟漏，為后期制定防護(hù)保養(yǎng)措施提供依據(jù)。本文為三維模型數(shù)據(jù)在古建保護(hù)中的應(yīng)用提供了新的思路。

古建筑精細(xì)化管理；模型組織編碼；點(diǎn)云；三維虛擬場景

1 引 言

古建筑反映了中國古代的輝煌，承載了中國古代文化藝術(shù)的巨大成就，對古建筑進(jìn)行保護(hù)既是對中華文明的保護(hù)，也可增強(qiáng)民族自豪感。故宮擁有17萬平方米的古建筑群，是目前世界上規(guī)模最大、保存最完整的木結(jié)構(gòu)宮殿建筑群。如何對如此復(fù)雜的古建筑群進(jìn)行更有效的保護(hù)一直是文物保護(hù)人員長期探索的課題。傳統(tǒng)的古建筑保護(hù)使用二維平面圖進(jìn)行表示，此種方法雖能為古建的修繕、保護(hù)提供一些依據(jù)，但是在表達(dá)古建筑方面不夠直觀，許多在空間上存在的構(gòu)件無法表達(dá)，例如屋頂上的角獸和屋檐下的椽子等構(gòu)件，在平面圖上投影位置重疊，無法用二維平面圖直觀表示，而故宮古建筑的管理需要精細(xì)到每個構(gòu)件，構(gòu)件的健康狀況評估對古建筑的健康狀況至關(guān)重要。因此，傳統(tǒng)的二維平面圖已無法滿足古建筑的精細(xì)化管理要求，需要用三維立體的方式展示古建筑，為古建筑的管理、修繕等提供技術(shù)保障。

古建筑的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要檢查的內(nèi)容非常煩瑣，因此在模型的制作及對古建筑保護(hù)的應(yīng)用中都需要進(jìn)行創(chuàng)新。傳統(tǒng)的基于數(shù)字線劃圖獲取地物平面位置、通過外業(yè)拍照獲取地物紋理信息的方法很難建造古建筑的三維結(jié)構(gòu)，且人工參與的工作量大，給三維建模帶來困難。三維激光掃描技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取古建表面信息，提供空間依據(jù)，解決傳統(tǒng)方法建模缺少空間信息的困難。故宮的古建筑保存年代久遠(yuǎn)，為了更好地評估古建筑的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問題，故宮會定期對古建筑做普查。本文以故宮齋宮為例，使用了三維激光掃描的方法進(jìn)行古建筑的三維建模。由于古建筑的普查工作需精細(xì)到每個構(gòu)件，三維模型數(shù)據(jù)的組織及編碼也是本課題的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的古建筑普查，對發(fā)現(xiàn)的病害使用文字描述的方法，這種方法一方面不能夠形成統(tǒng)一的描述，為后期的統(tǒng)計(jì)分析造成不便，另一方面，僅對發(fā)生的病害進(jìn)行記錄，不能保證對所有的病害全部進(jìn)行了檢查，容易造成丟漏。本文對古建筑構(gòu)件及檢查項(xiàng)的編碼組織進(jìn)行了詳細(xì)探討。

2 三維技術(shù)應(yīng)用

隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)越來越多地應(yīng)用于文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、遺產(chǎn)保護(hù)等各方面。由于三維模型數(shù)據(jù)的直觀性，使得其相對于二維數(shù)據(jù)有更精細(xì)、廣泛的應(yīng)用。本章從以下幾個方面對三維模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用給出了具體的應(yīng)用實(shí)例。

2.1文物保護(hù)

人類文明發(fā)展數(shù)千年的歷史，留下了很多寶貴的自然、文化遺產(chǎn)，然而隨著時間的流逝，這些文物都在遭受自然或人為的破壞，如何對文物進(jìn)行保護(hù)修復(fù)一直是研究者們關(guān)注的課題。三維建模技術(shù)的發(fā)展給文物保護(hù)工作帶來了新的技術(shù)支撐，如周立等應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)輔助古建筑修繕測繪[1]，斯坦福大學(xué)的M. Levoy[2]的研究小組對米開朗基羅的一些大型雕塑做的激光掃描，在課題中涉及了多視點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、海量三角網(wǎng)數(shù)據(jù)繪制等多種研究內(nèi)容。朱凌[3]等使用三維激光掃描技術(shù)對古建筑構(gòu)件進(jìn)行采集，并使用面向?qū)ο蟮墓沤ㄖ?gòu)件組合的方法進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)的制作，并將其應(yīng)用于太和殿第六間三維模型的制作。

2.2數(shù)字城市

三維模型數(shù)據(jù)以其直觀、可量測的優(yōu)勢在數(shù)字城市建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。數(shù)字城市的三維建模有基于地形圖和外業(yè)拍攝紋理照片進(jìn)行制作的[4]，有基于激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行制作[5]，還有的基于傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行制作[6]。利用這些技術(shù)都可生成城市級的三維模型數(shù)據(jù)，為后期的規(guī)劃、安防、應(yīng)急等應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2.3工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)

工業(yè)遺產(chǎn)的保護(hù)是后工業(yè)時代研究者們關(guān)注的課題，使用三維建模技術(shù)可以將工業(yè)廠區(qū)完整地保存于虛擬場景中，為工業(yè)遺產(chǎn)的保護(hù)、開發(fā)與再利用提供技術(shù)保障。工業(yè)廠區(qū)錯綜復(fù)雜，使用三維激光掃描技術(shù)能夠建造廠區(qū)的管道等工業(yè)設(shè)施[7]，節(jié)省人工參與的工作量。

總之，三維建模技術(shù)使得傳統(tǒng)的測繪得以由二維向三維轉(zhuǎn)變，三維數(shù)據(jù)能夠提供更豐富的信息，能夠解決很多二維無法解決的問題。本課題是將三維數(shù)據(jù)應(yīng)用于古建筑精細(xì)化管理與保護(hù)，進(jìn)行研究與探討。

3 三維模型制作

本課題使用三維激光掃描的方法對故宮齋宮進(jìn)行三維模型制作，采用的工藝流程如圖1所示，首先準(zhǔn)備建模區(qū)域的地形圖數(shù)據(jù)，在實(shí)地掃描前進(jìn)行儀器架設(shè)點(diǎn)的選取。其次，使用三維激光掃描儀采集建筑物點(diǎn)云信息。獲取點(diǎn)云信息后，首先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對多站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接并去除周邊的冗余點(diǎn)，僅保留建筑相關(guān)的點(diǎn)云；對于常規(guī)曲面和平面，直接從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建筑物結(jié)構(gòu)線框，作為三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將線框?qū)?ds Max中進(jìn)行建模；對于吻獸、角獸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直接使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的生成，而后在3ds Max中對冗余面進(jìn)行處理；將兩部分三維模型數(shù)據(jù)拼接在一起，即可形成最終的三維模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。對外業(yè)采集的紋理照片進(jìn)行勻色、糾正、調(diào)整色彩等操作后，對建筑物模型進(jìn)行紋理貼賦。最后，將三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行模型烘焙、格式轉(zhuǎn)換和場景合成，即可得到完整的齋宮三維模型。

3.1數(shù)據(jù)采集

本課題使用PENTAX-S3180V掃描儀進(jìn)行激光掃描，設(shè)備參數(shù)如表1所示。齋宮外立面如圖2所示。掃描獲得的部分三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

PENTAX-S3180V激光掃描儀的技術(shù)指標(biāo) 表1

圖1 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型制作工藝流程圖

圖2 齋宮外立面

圖3 齋宮外立面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2點(diǎn)云拼接

由于齋宮結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以點(diǎn)云數(shù)據(jù)是進(jìn)行多站采集獲得，掃描的每站數(shù)據(jù)都位于掃描儀自身的坐標(biāo)系下(Scanner’s Own Coordinate System，簡稱SOCS)，因此需要對不同視點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，將其統(tǒng)一至工程坐標(biāo)系中(Project Coordinate System，簡稱PRCS。

假設(shè)SOCS坐標(biāo)系下的點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y，z)，使用齊次坐標(biāo)表示即為(x，y，z，1)，PRCS坐標(biāo)系中的點(diǎn)云齊次坐標(biāo)為(x′，y′，z′，1)，模型拼接軟件中即是利用以下公式將掃描儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到工程坐標(biāo)系中。

(1)

多次掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)必須有足夠的重疊才能拼接，即在上式中包含足夠數(shù)量的(x，y，z，1)和(x′，y′，z′，1)點(diǎn)對，這樣通過求解線性方程即可求得變換矩陣，將不同站掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。

3.3模型制作

由于古建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，根據(jù)模型部分的復(fù)雜程度，本文在進(jìn)行齋宮三維模型構(gòu)建時將整棟建筑分為瓦頂(包含梁架結(jié)構(gòu))、墻面和復(fù)雜構(gòu)件三個部分，針對不同的區(qū)域使用不同的方法進(jìn)行三維建模。

(1)瓦頂模型制作

瓦頂外部在整個古建筑中屬于形狀比較規(guī)則的部分，如果直接全部使用點(diǎn)云生成三角網(wǎng)格，會增大整個模型的數(shù)據(jù)量；若用手工的方法描繪特征線，由于瓦頂曲面較多，會導(dǎo)致人工參與的工作量巨大，容易出錯，本課題中采用等高線提取的方法提取瓦頂?shù)奶卣骶€。

首先將瓦頂?shù)狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化并對三角化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，如圖4(a)所示。利用Riscan軟件中的等高線生成功能，自動生成等高線，如圖4(b)所示。同理，可生成縱向的等高線，結(jié)合瓦頂橫向和縱向的等高線，導(dǎo)出DXF在CAD中處理后，得到完整的瓦頂特征線，如圖5所示。

圖4三角網(wǎng)及等高線

圖5 瓦頂特征線

房屋頂部的梁架結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示，由于梁架結(jié)構(gòu)遮擋比較嚴(yán)重，直接使用軟件提取特征線不夠完整。本課題中使用Polyworks進(jìn)行自動化特征線提取，再配合人工的方法進(jìn)行特征線描繪，形成完整的梁架結(jié)構(gòu)特征線。使用拍攝的紋理照片對梁架貼賦紋理，即可得到完整的梁架模型。

圖6 梁架內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(2)墻面特征線提取

墻面的形狀非常規(guī)則，不需要用過多的三角面表達(dá)，因此本課題使用手工描繪的方法提取墻面的特征線。直接在墻的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)上描繪多段線，即可得到墻面的特征線數(shù)據(jù)，如圖7所示。將墻面的特征線和瓦頂?shù)奶卣骶€在CAD中合成整體，如圖8所示，之后導(dǎo)入到3ds Max軟件中進(jìn)行紋理貼圖即可。

圖7 墻面特征線提取

圖8 建筑物特征線

(3)吻獸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)生成

古建中有很多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如吻獸、角獸等，這些結(jié)構(gòu)無法簡單地使用特征線的方法進(jìn)行特征提取，本課題中利用Geomagic軟件將吻獸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接生成三角網(wǎng)，而后導(dǎo)入到3ds Max軟件中進(jìn)行紋理貼圖。吻獸的三角網(wǎng)模型如圖9所示。

圖9 吻獸三角網(wǎng)模型

4 三維模型組織

本課題中三維模型數(shù)據(jù)建設(shè)的目的是用于古建筑的日常保護(hù)，此項(xiàng)工作涉及古建筑的各個方面，從古建筑的整體健康狀況到一個構(gòu)件的健康程度都是古建保護(hù)關(guān)注的內(nèi)容。因此，建成的三維需按照古建筑保護(hù)的工作內(nèi)容進(jìn)行組織和編碼。

本課題將古建筑的柱、梁、斗拱、飛椽、椽子、檁條、額枋、望板等構(gòu)件按照以下方式進(jìn)行編碼，即建筑物編碼+構(gòu)件類別碼+構(gòu)件序號碼。其中建筑物沿用故宮已有的編碼，構(gòu)件類別碼如下表所示，不同建筑物的同一類構(gòu)件類別碼相同，構(gòu)件序號碼為構(gòu)件在建筑物中所占的序號。

構(gòu)件類別編碼示例 表2

此外，古建筑之前的普查工作僅對發(fā)現(xiàn)的病害進(jìn)行記錄，有可能會丟漏一些檢查內(nèi)容。為了解決可能出現(xiàn)的丟漏問題，本課題創(chuàng)新性地將體檢的概念應(yīng)用于古建筑的普查工作，對每一個構(gòu)件設(shè)置了檢查項(xiàng)，對可能發(fā)生的病害進(jìn)行了編碼，如柱子可能出現(xiàn)的病害為歪閃、糟朽、開裂、蟲蛀、油飾殘損等，編碼方式如下表所示。在古建筑的普查工作中，能夠?qū)γ總€構(gòu)件的每一類病害進(jìn)行檢查，防止丟漏，能夠?qū)沤ㄖM(jìn)行管理。此外，檢查項(xiàng)的編碼使得原來的文字描述變成數(shù)字化方法描述，可以方便地對各類病害及區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便做出適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)及修整措施。

檢查項(xiàng)編碼示例 表3

5 應(yīng)用效果

5.1三維模型效果展示

最終生成的三維模型成果如圖10所示，左圖為三維模型外立面效果圖，右圖為梁架結(jié)構(gòu)，每一間的每一個結(jié)構(gòu)均為單獨(dú)的構(gòu)件，方便管理應(yīng)用。

圖10 三維模型成果

5.2精細(xì)化管理效果展示

三維模型在普查管理中的應(yīng)用如圖11所示，為一縫梁的普查，左圖為檢查項(xiàng)，外業(yè)普查時，按照檢查項(xiàng)對此構(gòu)件進(jìn)行一一檢查，檢查完成方可進(jìn)行提交。

圖11 精細(xì)化管理效果

6 結(jié) 語

三維虛擬場景為古建筑保護(hù)提供了新的思路，三維激光掃描技術(shù)使得古建筑的三維建模得到了大大的簡化。本課題中將三維模型應(yīng)用于古建筑保護(hù)中，使得古建筑的保護(hù)能夠精細(xì)化，本文有以下創(chuàng)新：

(1)將古建筑的每個構(gòu)件及檢查項(xiàng)進(jìn)行編碼管理

古建筑的健康狀況涉及每一個構(gòu)件的健康，因此精細(xì)化管理需精確到每個構(gòu)件。本課題將古建筑的每個構(gòu)件及構(gòu)件的檢查項(xiàng)進(jìn)行了編碼管理，使得在普查工作中，能夠無丟漏地完成每一項(xiàng)檢查。方便后期對病害類別做分析，制定相應(yīng)的維修及保養(yǎng)措施。

(2)形成了針對古建的三維建模技術(shù)流程

古建的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)的基于地形圖或傾斜攝影的三維建模的方法不再適用，本項(xiàng)目采用了基于激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，該方法具有實(shí)際可操作性，為古建的三維建模提供了完整的解決方案，可推廣至其他古建的三維建模。

在實(shí)際應(yīng)用中，本文還有一些待改進(jìn)的地方。中國的古建大都是對稱結(jié)構(gòu)且由小的構(gòu)件組成，因此在后續(xù)有關(guān)古建三維建模的課題開展時，可嘗試使用三維構(gòu)件庫的方法進(jìn)行古建筑的三維建模，通過構(gòu)建三維古建筑符號庫，從而搭建出完整的三維模型。同激光掃描的方法配合使用，不僅能夠保證三維模型的進(jìn)度，還能夠節(jié)約三維模型的制作時間。

總之，三維模型的應(yīng)用使得古建筑能夠做到精細(xì)化管理，三維激光掃描技術(shù)為古建筑三維建模應(yīng)用提供了一種有效的解決方案。本文中三維模型技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護(hù)，為后期其他古建筑保護(hù)提供了參考，可以在其他古建筑保護(hù)項(xiàng)目中加以推廣應(yīng)用。

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ResearchonDelicacyManagementofAncientArchitecturesBasedon3DTechnology

Zhang Hui

(Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China)

The protection of ancient architectures has been an important topic among researchers in recent years. Traditional 2-D maps cannot manage components，while 3D models can display ancient buildings from stereo angle，to provide technical support for the management and protection of ancient architectures. This paper takes ZhaiGong in the Forbidden City as an example，built 3D model using laser scanning method and encoded each structure and inspection item combined with ancient architecture protection，in order to ensure complete inspection of the ancient architectures. This provides basis for the following measures of protective maintenance. This paper provides a new idea for the application of 3D model data in the protection of ancient architectures.

delicacy management of ancient architectures；model organization and coding；point cloud；3D virtual scene

1672-8262(2017)05-70-05

P234

A

2017—07—06

張輝(1985—)，女，工程師，研究方向：三維地理信息應(yīng)用。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文三等獎。