張輝

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038)

基于三維的古建筑精細化管理研究

張輝*

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038)

對古建筑的保護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行精細建模，結(jié)合古建保護業(yè)務(wù)，對三維模型數(shù)據(jù)中每個構(gòu)件及其檢查項進行編碼，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)在古建保護中的應(yīng)用提供了新的思路。

古建筑精細化管理；模型組織編碼；點云；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，對古建筑進行保護既是對中華文明的保護，也可增強民族自豪感。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)雜的古建筑群進行更有效的保護一直是文物保護人員長期探索的課題。傳統(tǒng)的古建筑保護使用二維平面圖進行表示，此種方法雖能為古建的修繕、保護提供一些依據(jù)，但是在表達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，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的應(yīng)用中都需要進行創(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，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行古建筑的三維建模。由于古建筑的普查工作需精細到每個構(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。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)計分析造成不便，另一方面，僅對發(fā)生的病害進行記錄，不能保證對所有的病害全部進行了檢查，容易造成丟漏。本文對古建筑構(gòu)件及檢查項的編碼組織進行了詳細探討。

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、工業(yè)設(shè)計、數(shù)字城市、遺產(chǎn)保護等各方面。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、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)用實例。

2.1文物保護

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，如何對文物進行保護修復(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數(shù)據(jù)配準、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)件進行采集，并使用面向?qū)ο蟮墓沤ㄖ?gòu)件組合的方法進行三維模型數(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)拍攝紋理照片進行制作的[4]，有基于激光雷達技術(shù)進行制作[5]，還有的基于傾斜攝影技術(shù)進行制作[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

工業(yè)遺產(chǎn)的保護是后工業(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、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)用于古建筑精細化管理與保護，進行研究與探討。

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行三維模型制作，采用的工藝流程如圖1所示，首先準備建模區(qū)域的地形圖數(shù)據(jù)，在實地掃描前進行儀器架設(shè)點的選取。其次，使用三維激光掃描儀采集建筑物點云信息。獲取點云信息后，首先對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，對多站掃描的數(shù)據(jù)進行拼接并去除周邊的冗余點，僅保留建筑相關(guān)的點云；對于常規(guī)曲面和平面，直接從點云數(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中進行建模；對于吻獸、角獸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，直接使用點云數(shù)據(jù)進行三維模型的生成，而后在3ds Max中對冗余面進行處理；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)采集的紋理照片進行勻色、糾正、調(diào)整色彩等操作后，對建筑物模型進行紋理貼賦。最后，將三維模型數(shù)據(jù)進行模型烘焙、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云數(shù)據(jù)如圖3所示。

PENTAX-S3180V激光掃描儀的技術(shù)指標 表1

圖1 基于激光點云數(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云數(shù)據(jù)

3.2點云拼接

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

假設(shè)SOCS坐標系下的點坐標為(x，y，z)，使用齊次坐標表示即為(x，y，z，1)，PRCS坐標系中的點云齊次坐標為(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系下的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到工程坐標系中。

(1)

多次掃描的點云數(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)進行配準。

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云數(shù)據(jù)進行三角化并對三角化后的數(shù)據(jù)進行平滑處理，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)的點云數(shù)據(jù)如圖6所示，由于梁架結(jié)構(gòu)遮擋比較嚴重，直接使用軟件提取特征線不夠完整。本課題中使用Polyworks進行自動化特征線提取，再配合人工的方法進行特征線描繪，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，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，此項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關(guān)注的內(nèi)容。因此，建成的三維需按照古建筑保護的工作內(nèi)容進行組織和編碼。

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，對可能發(fā)生的病害進行了編碼，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)件的每一類病害進行檢查，防止丟漏，能夠?qū)沤ㄖM行管理。此外，檢查項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)域進行統(tǒng)計，以便做出適當?shù)姆雷o及修整措施。

檢查項編碼示例 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)均為單獨的構(gòu)件，方便管理應(yīng)用。

圖10 三維模型成果

5.2精細化管理效果展示

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，外業(yè)普查時，按照檢查項對此構(gòu)件進行一一檢查，檢查完成方可進行提交。

圖11 精細化管理效果

6 結(jié) 語

三維虛擬場景為古建筑保護提供了新的思路，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)用于古建筑保護中，使得古建筑的保護能夠精細化，本文有以下創(chuàng)新：

(1)將古建筑的每個構(gòu)件及檢查項進行編碼管理

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)件的檢查項進行了編碼管理，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，本項目采用了基于激光點云的數(shù)據(jù)進行三維建模，該方法具有實際可操作性，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。

在實際應(yīng)用中，本文還有一些待改進的地方。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，為后期其他古建筑保護提供了參考，可以在其他古建筑保護項目中加以推廣應(yīng)用。

[1] 周立，李明，毛晨佳等. 三維激光掃描技術(shù)在古建筑修繕測繪中的應(yīng)用[J]. 上海建設(shè)科技，2011(4)：47～50.

[2] M. Levoy，K Pulli，B Curless，etc. The Digital Michelangelo Project：3D scanning of large statues[C]. Siggraph，2000：131～144.

[3] 朱凌，周克勤，李小爽. 基于現(xiàn)代測繪技術(shù)的古建筑測繪方法研究[J]. 山西建筑，2007，33(14)：356～357.

[4] 文雪中，潘建平，付飛飛. 三維建模技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用[J]. 科技資訊，2010(2)：220～221.

[5] 李艷玲，杜殿斌，劉麗茹. 激光雷達技術(shù)在城市三維建筑模型中的應(yīng)用[J]. 測繪，2010，33(1)：42～44.

[6] 孫宏偉. 基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模[J]. 現(xiàn)代測繪，2014(1)：18～21.

[7] 張輝，劉增良. 車載三維激光掃描技術(shù)在首鋼工業(yè)遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用探討[C]. 全國工程測量2012技術(shù)研討交流會論文集，2012：92～94.

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。