李敏珍，劉春，周源

（同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海200092）

激光掃描歷史建筑精細(xì)化重建與部件化管理

李敏珍，劉春，周源

（同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海200092）

針對歷史建筑三維重建的精度要求高、產(chǎn)生部件信息數(shù)量多的問題，提出地面激光掃描的高精度精細(xì)化模型重建的方法以及對模型進(jìn)行部件化管理的策略?；谏虾Ｍ鉃v史建筑群，在三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)所獲取的高精度建筑物空間信息的基礎(chǔ)上實(shí)施精細(xì)化模型重建，細(xì)化建筑物的空間信息；針對歷史建筑的特點(diǎn)，對建筑物模型信息和對應(yīng)的屬性信息進(jìn)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(xì)亞大樓為實(shí)例，基于以上方法構(gòu)建歷史建筑數(shù)字檔案。成果表明，重建模型達(dá)到建筑保護(hù)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(tǒng)計(jì)、歸納、調(diào)用也更為便捷。

地面激光掃描；歷史建筑；建筑模型構(gòu)建；建筑保護(hù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

0 引 言

優(yōu)秀歷史建筑一般集文化性、歷史性、藝術(shù)性價值于一體，是歷史文化遺產(chǎn)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(hù)與維護(hù)歷史建筑的重要依據(jù)。歷史建筑的信息具有種類來源多樣性、空間分布復(fù)雜性、隨時間變化時態(tài)性以及彼此協(xié)同關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)［1］。傳統(tǒng)歷史建筑測繪主要采用標(biāo)尺、手持激光測距儀、樓板測厚儀、全站儀等傳統(tǒng)儀器對歷史建筑進(jìn)行測量。這些傳統(tǒng)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(zhǔn)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(shù)，地面三維激光掃描技術(shù)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(shù)能夠在不接觸建筑物的情況下快速獲得空間精準(zhǔn)、采樣密集、信息豐富的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此也逐漸被應(yīng)用在歷史建筑文物保護(hù)領(lǐng)域［4］。如2004年，敦煌研究院、武漢大學(xué)和浙江大學(xué)合作推進(jìn)的文化遺產(chǎn)保護(hù)項(xiàng)目－數(shù)字敦煌中，就采用地面三維激光掃描技術(shù)建立石窟三維數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合高精度紋理影像建立逼真數(shù)字石窟模型和數(shù)字敦煌檔案［5］。2006年，清華大學(xué)古建筑保護(hù)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(jìn)行掃描，繪制出了梁架平面、剖面理想圖，并與現(xiàn)狀點(diǎn)云進(jìn)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(xué)使用地面三維激光掃描技術(shù)對約旦的歷史文化遺址Faynan進(jìn)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(fù)原往往過于簡化，難以滿足復(fù)雜歷史建筑三維重建的需求［8］。但事實(shí)上，如果在三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)所獲取的高精度建筑物空間信息的基礎(chǔ)上實(shí)施精細(xì)化模型重建，細(xì)化建筑物的空間信息，如針對建筑部件、細(xì)部紋理、構(gòu)件造型等細(xì)部特征進(jìn)行重建，可大幅簡化同類型、同風(fēng)格的復(fù)雜歷史建筑三維重建工序。針對歷史建筑的特點(diǎn)，對重建模型實(shí)施部件化管理，可以解決由精細(xì)化建模帶來的部件個數(shù)過多、數(shù)據(jù)量龐大、信息冗余等問題［9］。在此基礎(chǔ)上結(jié)合部件的屬性信息，如材質(zhì)信息、工藝技法、損耗情況等，以及歷史建筑的屬性信息，如規(guī)劃圖紙、文字資料、文獻(xiàn)記載，更可滿足歷史建筑保護(hù)的各類需求，實(shí)現(xiàn)其歷史信息、保護(hù)信息、檢測與干預(yù)信息的管理，保存歷史建筑的詳實(shí)資料，模擬歷史建筑的真實(shí)狀態(tài)，形成歷史建筑的三維數(shù)字檔案，提高其管理與保護(hù)的效率與科學(xué)性［10］。

為此本文基于地面三維激光掃描技術(shù)，以上海外灘歷史建筑群為研究對象，總結(jié)了對其進(jìn)行高精度精細(xì)化模型重建的方法以及對模型進(jìn)行部件化管理的策略，并以上海外灘的亞細(xì)亞大樓為實(shí)例，實(shí)現(xiàn)其三維數(shù)字檔案的管理。

1 歷史建筑的精細(xì)化三維重建與部件化管理

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

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(diǎn)，對重建模型實(shí)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(fēng)格的部件空間信息冗余，保留精細(xì)化特殊構(gòu)件的細(xì)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(jù)。

完成空間信息多層次部件化之后，在空間信息的基礎(chǔ)上組織融合不同層次的屬性信息，可實(shí)現(xiàn)歷史信息、保護(hù)信息、檢測與干預(yù)信息的管理。歷史建筑的精細(xì)化三維重建和部件化管理，能夠保存歷史建筑的詳實(shí)資料，模擬歷史建筑的真實(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各類建筑保護(hù)的目的。

圖1 研究總體架構(gòu)圖

1.1 歷史建筑的精細(xì)化三維模型重建

歷史建筑的精細(xì)化三維模型重建。首先通過地面三維激光掃描技術(shù)獲取歷史建筑的高密度激光三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后根據(jù)歷史建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)施的精細(xì)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(shí)測紋理信息；最終得到符合建筑保護(hù)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(xì)化三維模型重建的技術(shù)流程，主要包括三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和三維模型重建3個步驟。

在三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，需重點(diǎn)考慮掃描站點(diǎn)的數(shù)量與分布設(shè)計(jì)。掃描站點(diǎn)布設(shè)合理才能確保高精確度的整體模型，減少數(shù)據(jù)冗余，降低整體工作量。影響站點(diǎn)布設(shè)的主要因素包括：三維激光掃描儀掃描范圍、站點(diǎn)間數(shù)據(jù)重疊度、靶球的個數(shù)和位置、非目標(biāo)遮擋等。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括點(diǎn)云的濾波、平滑、壓縮以及配準(zhǔn)處理。點(diǎn)云的濾波、平滑與壓縮處理可減少由環(huán)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(shù)據(jù)量，在確保建筑物特征的前提下合理壓縮點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可讀性與可靠性。針對精細(xì)化建模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)通過靶球或建筑物特征點(diǎn)等信息，將各觀測站點(diǎn)掃描坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至同一坐標(biāo)系下，為建筑物三維模型重建進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

三維模型重建是歷史建筑空間信息的基礎(chǔ)。其精度決定了歷史建筑保護(hù)信息的完善程度?？紤]到歷史建筑外貌特征的特殊性以及復(fù)雜性，本文根據(jù)建筑物特征點(diǎn)構(gòu)造規(guī)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(chǔ)上進(jìn)行真實(shí)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(guān)鍵技術(shù)以提高模型重建精度。

（1）建立建筑物獨(dú)立坐標(biāo)系。根據(jù)建筑物的對稱性和規(guī)則性以及各自的建筑特點(diǎn)，建立獨(dú)立坐標(biāo)系，可以在構(gòu)件過程中保持部分結(jié)構(gòu)的垂直正交，并且使建模過程具有可重復(fù)性。

（2）分割整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于歷史建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在龐大密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，無法分析出建筑物局部的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割，可以更清晰地剖析建筑物結(jié)構(gòu)，提高建模精度，同時也降低對計(jì)算機(jī)硬件的需求，并提升了作業(yè)效率。

（3）對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理。該操作以微小單位對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行任意形式的剖切。通過分析點(diǎn)云厚度產(chǎn)生的原因，可截取不同形狀和材質(zhì)的點(diǎn)云切片，用于分析建筑結(jié)構(gòu)和部件布局，得到傳統(tǒng)意義上的平面圖和剖面圖，從而在反映建筑結(jié)構(gòu)細(xì)微特征的同時，獲取建筑物微小的殘損變形，以便進(jìn)行后續(xù)的保護(hù)修繕工作。

（4）真實(shí)紋理信息映射。將實(shí)地采集的真實(shí)紋理信息進(jìn)行全貌分析，依據(jù)紋理位置進(jìn)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(yīng)關(guān)系，從而真實(shí)反映建筑物狀態(tài)，達(dá)到為建筑修繕維護(hù)提供依據(jù)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(diǎn)，對三維模型信息進(jìn)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(diǎn)、線、面等幾何要素形式直接儲存在空間數(shù)據(jù)文件里［7］。雖然，這些要素能精確表達(dá)建筑物的邊界和坐標(biāo)位置，但是無法體現(xiàn)建筑物，尤其是歷史建筑的特殊建筑結(jié)構(gòu)。歷史建筑的精細(xì)化三維建模則不僅要得到精確的邊界和坐標(biāo)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(dá)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(diǎn)，本文將其建筑空間信息分為5層，如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及模型重建基本流程圖

圖3 歷史建筑信息模型數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)

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(fēng)格，儲存樓宇整體的空間信息。

第2層為部件大類。構(gòu)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(gòu)件。

第3層為部件子類。該層將部件大類進(jìn)一步細(xì)分，如窗又可進(jìn)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)等特征上具有共性。通過調(diào)用空間信息庫當(dāng)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(tǒng)計(jì)分析部件子類的數(shù)量、分布與構(gòu)造等信息可以歸納其歷史建筑的異同點(diǎn)。

第4層為具體部件。盡管同屬于一個部件子類的部件在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)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(jìn)一步細(xì)分為具體部件，能保留空間模型細(xì)節(jié)的真實(shí)狀態(tài)。

第5層為部件構(gòu)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(shù)量的構(gòu)件組合而成。部件構(gòu)件包括不可細(xì)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(yùn)算得到的復(fù)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(shù)、科學(xué)價值的重要組成。在歷史建筑空間信息的基礎(chǔ)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(gòu)造信息、材質(zhì)信息、細(xì)部紋理、材質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)在于直觀化復(fù)雜的屬性信息，深化單純?nèi)S空間模型的內(nèi)涵，優(yōu)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(guī)范與統(tǒng)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(bǔ)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(shè)計(jì)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(hù)方案。

因此，根據(jù)空間信息部件化管理的結(jié)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(shè)計(jì)，其中包含建筑物的基本概況，如位置信息、建筑物風(fēng)格信息等。其中建筑物建筑編碼是用于區(qū)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(zhì)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(shù)量和分布，從而更直觀地了解建筑風(fēng)格、格局、保存狀態(tài)。

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(shí)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(shù)量，還可以從具體部件的保存狀態(tài)出發(fā)，統(tǒng)計(jì)部件子類的整體狀況，實(shí)現(xiàn)預(yù)測，如制定牛眼窗在一定期限內(nèi)維護(hù)或轉(zhuǎn)移的保護(hù)計(jì)劃。

表1 歷史建筑屬性信息表

2 上海外灘歷史建筑三維數(shù)字檔案應(yīng)用實(shí)例

上海外灘歷史建筑群是全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，優(yōu)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(jīng)受了相當(dāng)程度的損害，需要科學(xué)的保護(hù)和管理。其中的亞細(xì)亞大樓被譽(yù)為“外灘第一樓”，是極具有代表性的歷史建筑之一。亞細(xì)亞大樓的測量環(huán)境較好，建筑結(jié)構(gòu)、建筑風(fēng)格鮮明，可數(shù)字化程度高，故本文以亞細(xì)亞大樓作為實(shí)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(shù)據(jù)獲取及預(yù)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(xì)亞大樓的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用RIEGL公司的RiScan軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、平滑、壓縮及配準(zhǔn)等預(yù)處理。采集數(shù)據(jù)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(diǎn)的方式達(dá)到去噪聲的效果。圖4為經(jīng)過預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 經(jīng)預(yù)處理的亞細(xì)亞大樓三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（2）建筑物三維模型的重建

完成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理之后，使用具有強(qiáng)大點(diǎn)云分析功能的軟件——Pointools for AutoCAD實(shí)現(xiàn)亞細(xì)亞大樓的三維幾何模型重建工作。在3DSMAX環(huán)境下對重建的三維幾何模型賦予紋理信息并進(jìn)行渲染，亞細(xì)亞大樓的最終模型成果如圖5所示。

圖5 亞細(xì)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(xì)亞大樓的空間信息分為5個層次：第1層為亞細(xì)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(gòu)件；第3層為部件子類；第4類為具體部件；第5類為部件構(gòu)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(yīng)多個具體部件，如部件大類編碼為C1025－1的牛眼窗對應(yīng)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(shí)現(xiàn)屬性表之間的查詢。

（4）數(shù)字檔案系統(tǒng)平臺搭建

通過配置輕量級Tomcat服務(wù)器，設(shè)計(jì)HTML和腳本語言Javascript的頁面和功能，調(diào)用Virtools三維模型的預(yù)設(shè)動作，安裝3DVIAplayer插件從而實(shí)現(xiàn)Web可瀏覽性，最終成功搭建歷史建筑三維數(shù)字檔案系統(tǒng)平臺。

2.2 外灘歷史建筑數(shù)字檔案系統(tǒng)

外灘歷史建筑三維數(shù)字檔案系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對外灘建筑群中的亞細(xì)亞大樓的數(shù)字檔案管理。主界面及界面各個板塊如圖6所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(cè)屬性欄會出現(xiàn)當(dāng)前展示的部件信息和維修記錄。

（2）數(shù)據(jù)庫查詢

該系統(tǒng)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(diǎn)擊部件子類中的記錄或者直接輸入查詢目標(biāo)選擇具體部件，系統(tǒng)在主窗體實(shí)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(yīng)的信息。

（3）空間分析

在歷史建筑三維數(shù)字檔案的虛擬環(huán)境中，可以根據(jù)已建立的數(shù)字檔案對歷史建筑的要素進(jìn)行比較和分析，并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對得出殘損量，建立評估體系，以便對細(xì)部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的歷史建筑進(jìn)行復(fù)原［8］。

圖7給出的是對具體部件進(jìn)行查詢定位的界面，右側(cè)是獲得的屬性信息及修繕記錄。

圖6 系統(tǒng)界面展示

圖7 定位功能及修繕查詢功能展示

3 結(jié)束語

本文基于地面三維激光掃描技術(shù)，從歷史建筑保護(hù)的角度出發(fā)，精細(xì)化其三維點(diǎn)云模型重建方法，以達(dá)到滿足建筑保護(hù)的精度需求。在重建模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物的層次特點(diǎn)，提出多層次部件化管理的方法，實(shí)現(xiàn)模型信息組織管理。部件化管理能夠細(xì)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(tǒng)計(jì)、歸納與調(diào)用更為容易；建筑物的模型信息的管理也更為有效。在實(shí)例研究中，本文通過歷史建筑三維數(shù)字檔案系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種技術(shù)的綜合運(yùn)用，展示了部件化管理的成果，對歷史建筑的數(shù)字化應(yīng)用的發(fā)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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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(xué)基金（41371333）。

李敏珍（1990—），女，碩士，主要研究方向?yàn)榧す鈷呙钄?shù)據(jù)處理。

E－mail：1335488＠#edu.cn

劉春（1973—），男，教授，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槿S激光掃描數(shù)據(jù)處理、地理信息方法與環(huán)境遙感。

E－mail：liuchun＠#edu.cn