激光技術(shù)論文(2)
激光技術(shù)論文
激光技術(shù)論文篇二
激光遙感技術(shù)
摘要：的 應用 是日前古 建筑和 歷史 街區(qū)保護的新契機。本文首先介紹了的原理和應用現(xiàn)狀;然后重點闡述了基于的古建筑保護，包括：古建筑量測、古建筑三維重建和基于三維重建古建筑保護應用;并闡述了基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建及基于重建的歷史街區(qū)保護應用;最后 分析 了在古建筑與歷史街區(qū)保護中的應用前景和亟待解決的 問題 。
關(guān)鍵詞：; 古建筑保護; 歷史街區(qū)保護; 三維重建
Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.
Key words：laser remote sensing; protection ancient architecture; historic district; 3D reconstruction
城市古建筑及歷史街區(qū)延續(xù)了城市歷史文脈，是城市根源的具體體現(xiàn)。隨著 經(jīng)濟 社會 的 發(fā)展 ，必須采取積極的手段進行保護、利用古建筑及歷史街區(qū)。保護和利用過程需要對古建筑進行維護、整理或修復，同時也需要保護或恢復歷史街區(qū)的空間格局與尺度。國家重大古建筑在大規(guī)模修復前要求進行精確的測繪 工作，以取得較完備的 科學 記錄檔案，為古建筑規(guī)劃保護和修復提供第一手資料，同時也是 研究 中國 古建筑史和建筑 理論 的重要資料[1]。因而對于保護、利用古建筑及歷史街區(qū)，測繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的。
1的介入
傳統(tǒng)的由建筑師手繪的結(jié)構(gòu)圖和由地面近景攝影測量 方法 測出的結(jié)構(gòu)圖都能夠表達建筑的關(guān)鍵部位和整體結(jié)構(gòu)，但由于技術(shù)手段的局限，難以對古建筑進行快速測繪和對整體立體空間進行清晰的表達。據(jù)文物部門 統(tǒng)計，我國 目前 被列入保護范圍的古建筑群有近30萬處，古建筑的保護、搶救及修復的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠遠不能滿足古建筑保護的實際需要。
新型傳感器——地面激光掃描儀和配套的專業(yè)數(shù)碼相機融合了激光掃描及遙感等技術(shù)，可以同時獲取空間三維點云(Point cloud)和彩色數(shù)字圖像(Color imagery)兩種數(shù)據(jù)，掃描點空間定位精度達到5~10mm的掃描精度，使該項技術(shù)成為歐美等國在高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究 熱點。近年歐美等地應用涉及城市規(guī)劃、資源調(diào)查、災害 管理、工程設計及國防等方面，特別在城市三維景觀、古建重建、虛擬現(xiàn)實與仿真等方面。
激光掃描技術(shù)可以快速重構(gòu)整個建筑的全方位立體空間，完整描述建筑物的每一個關(guān)鍵要素，因此可以為古建筑保護與更新提供真實準確的三維模型。保護方案依據(jù)真三維模型來制定，不僅提高工作效率，而且修復 計劃的精細程度和表現(xiàn)效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進行古建筑和歷史街區(qū)的保護具有重要現(xiàn)實意義，也是一項高 科技 的 文化工程。
2的應用現(xiàn)狀
2.1三維激光影像掃描技術(shù)原理
本文所提的特指三維激光影像掃描技術(shù)，三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實景復制技術(shù)”，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復雜的現(xiàn)場 環(huán)境中進行掃描操作，并直接將各種實體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速重構(gòu)出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù), 同時, 它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作(如: 測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等) [2]。所有采集的三維點云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過標準接口格式轉(zhuǎn)換給各種工程 軟件直接使用。
在三維激光影像掃描儀所獲數(shù)據(jù)組成的立體模型上可以非常精確地量測出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方式。三維激光影像掃描儀的單點精度，一般可以達到毫米級，這對于古代建筑物的幾十米體量來說，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測精度不比傳統(tǒng)測量方法差[2]。三維激光掃描最大的意義在于效率高，激光掃描內(nèi)外業(yè)所需時間往往只有傳統(tǒng)方法測量的1/20。另外傳統(tǒng)方法只測到了物體部分點的數(shù)據(jù)，而激光掃描則測量到了物體的全部細節(jié)。
2.2激光遙感應用現(xiàn)狀
激光遙感應用范圍非常廣泛，主要包括對地形、建筑物以及其他對象進行高精度測量。
2.2.1帶狀地形測圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀可進行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描。在具有一定重復掃描區(qū)域內(nèi)，進行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過少量的測量控制點轉(zhuǎn)換到國家或城市坐標系中，用地形和地物的三維點云數(shù)據(jù)建立模型，生成帶狀地形圖。對于鐵路、公路、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測量，較常規(guī)測量速度快、精度高[3]。
2.2.2建立高精度的數(shù)字地面模型和城市模型
三維激光掃描影像數(shù)據(jù)作為GIS 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫更新的重要來源。采集的三維點云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接和合并后，進行數(shù)據(jù)預處理剔除粗差數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。地面高程數(shù)據(jù)用于建立高精度的數(shù)字地面模型，地物數(shù)據(jù)經(jīng)提取和目標識別處理可實現(xiàn)城市三維模型的建立。
2.2.3古文物建筑物測量及逆向工程應用
地面三維激光影像掃描技術(shù)可為三維數(shù)字化設計、三維測量及逆向工程、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)方面提供服務。能夠快速高精度地完成復雜的古建筑結(jié)構(gòu)測量，大型景觀(如建造大佛景觀)三維數(shù)字設計與模板制作。
1999年，來自斯坦福大學和華盛頓大學的一個30人小組使用三維激光掃描系統(tǒng)對意大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛(wèi)雕像進行了測量，近距離目標點的測量精度達到了亞毫米級[4]。舉世聞名的 中國 山西大同云岡石窟，時下正由文物 管理專家展開三維激光測繪，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對五萬余尊千年古佛像進行保護和修復。正在進行的北京故宮修復 工作中運用了多項 現(xiàn)代 測繪技術(shù)，其中包括激光掃描，它具有快速、精確、多方位的特點，為古 建筑測繪探索新的途徑。
2.2.4其它方面的 應用
此外，地面三維激光影像掃描儀可應用于復雜 工業(yè) 設備的測量與建模、房屋建模與房產(chǎn)圖測量、工程建筑物變形監(jiān)測、災害三維實時監(jiān)測、事故災害評估、礦山及隧道測量和大型水利工程安全監(jiān)測與 研究 等方面[3]。
3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護應用
3.1古建筑量測
目前 很多古代建筑缺少可用的CAD數(shù)據(jù)，即使建立低水平的細節(jié)CAD模型，也需要借助測量和其他 方法 ，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常困難的測量，更不用說制作正射影像了。數(shù)字正射影像是一種既具有像片影像特征同時又具有線劃地圖數(shù)學、幾何與制圖特征的圖種。由于其包含的信息豐富、直觀性強，具有可量測性，因而受到人們的廣泛關(guān)注[5]。
采用三維激光影像掃描技術(shù)，能在不損傷建筑物的條件下，快速采集古建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)。通過使用 軟件，可以快速地為掃描獲得的點云賦予相應的彩色信息，再經(jīng)過加工便制作成正射影像，向用戶展示一個完全的實景彩色圖像。如圖1所示。相對于以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建筑設計和保護人員可以精確對門、窗、柱、梁等構(gòu)件進行測量，如圖2所示。借助CAD便可以制作出用于施工的CAD數(shù)據(jù)圖，如圖3所示。
3.2古建筑三維重建
古建筑三維重建的關(guān)鍵 問題 主要包括五個方面的因素，其中兩點直接 影響 到古建筑三維重建的真實性[6]：① CAD木構(gòu)件數(shù)本身存在的問題，CAD木構(gòu)件模型是早期利用AutoCAD軟件建立的線框圖，由于線框模型只有點和直線段，沒有給出模型的表面信息，因此無法得到有關(guān)表面屬性的拓撲信息和幾何信息，無法得到正確的幾何模型信息化成為古建筑三維重建的關(guān)鍵問題所在;② 紋理材質(zhì)的表現(xiàn)，紋理和材質(zhì)的映射除了能提供逼真的視覺感受以外，還能在一定程度上展現(xiàn)建筑物的風格。古建筑除了其造型獨特之外，其色彩裝飾的運用也是一大特色：古代匠師們根據(jù)色彩對人們生理和 心理所起的作用，采用色彩明暗的對比和冷暖色調(diào)調(diào)和的手法來營造各種不同的色彩 環(huán)境。古建筑物這種復雜的色彩組合環(huán)境不可避免地帶來了三維模型重建過程中紋理和材質(zhì)映射的難度。
而基于激光數(shù)據(jù)的古建筑三維重構(gòu)就是以古建筑木構(gòu)架體系為知識體系，實現(xiàn)“古建筑的數(shù)字化”，在 計算 機環(huán)境下從原有的無規(guī)則點云數(shù)據(jù)中高精度提取古建筑的表面特征，利用規(guī)則的形狀實現(xiàn)模型的表面重建，再現(xiàn)實際古建筑的立體輪廓和真實紋理，完成復雜古建真三維的幾何表達，使得古建筑在三維表達上完全可以避免以上提到的兩個問題。所以圖4所示為基于三維激光掃描數(shù)據(jù)進行三維重建的福州市孔廟三維模型。
另外從微觀上來看，古建筑還包含一些具有表面形態(tài)豐富多彩的 藝術(shù) 品，如石雕、磚雕、木雕、彩畫等，這部分的重建由于形態(tài)各異，在重建方面其對精確度和色彩真實性的要求更為嚴格，以往的三維重建技術(shù)手法根本難以滿足其要求，而利用三維激光影像掃描技術(shù)獲取到的激光數(shù)據(jù)無論在精確度還是在色彩真實性上都可以用于藝術(shù)品的精細重建。在著名的米開朗基羅項目中，激光掃描可以精確地得到雕像的每個細節(jié)，目標點的距離測量精度實際達到了±0.25mm，另外還拍攝了7000幅的彩色數(shù)碼相片用于渲染貼圖，最終的大衛(wèi)雕像模型包含了20億個多邊形，其模型采用高密度的Mesh模型真實地表現(xiàn)建筑物中藝術(shù)品細膩的形態(tài)[4]。
3.3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護應用
通過對古建筑進行量測和三維重構(gòu)，古建筑保護利用可以有以下幾個方面：
3.3.1對細部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的古建筑進行復原
利用形狀匹配技術(shù)，通過三維激光設備將文物數(shù)字化，通過空間曲面輪廓線的提取，并根據(jù)輪廓線的匹配結(jié)果可實現(xiàn)殘損文物的拼接復原。主要由曲面模型的匹配拼接、三維曲面模型的融合和曲面的三維編輯，構(gòu)造自動拼接與手工調(diào)整相結(jié)合的文物復原過程模型，最后將三維 計算機模型送入快速成型設備復原微縮建筑進行實體檢查，為文物研究及文物保護提供準確的 科學 數(shù)據(jù)。
3.3.2對典型建筑構(gòu)件、營造技術(shù)或法式進行 分析 與剖視
對臺基、石雕、門窗、柱、柱礎、屋檐、斗拱、梁、檁、屋頂?shù)鹊湫徒ㄖ?gòu)件進行分析、剖視、建模，及搭建過程的演示。
4基于激光數(shù)據(jù)的 歷史 街區(qū)三維重建
基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建主要是對歷史街區(qū)進行特征分析，屋頂、墻體、街道等要素的重建。
4.1三維重建必要性
歷史街區(qū)保護的原則之一：“原真性”與“可讀性”相結(jié)合。要保持或恢復街區(qū)的傳統(tǒng)風貌，“原真性”是歷史街區(qū)保護與更新的一個首要原則。為使街區(qū)恢復“原汁原味”，三維激光影像掃描技術(shù)可以進行充分地現(xiàn)場測繪，并可以獲取詳細的照片，然后按照“整舊如故，以存其真”的原則，依據(jù)每一幢建筑不同的建造年代、建筑風貌及建筑質(zhì)量就可以進行三維重建，從而達到保護和修繕的目的。另外基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建可以快速地表達一個完整而具有特色的空間形態(tài)，使“可讀性”成為可能。
4.2基于激光數(shù)據(jù)的歷史街區(qū)三維重建
傳統(tǒng)的用于街區(qū)建筑物批量建模的方法有兩類：一類是采用商品化建模軟件進行建模，另一類是根據(jù)采集得到的觀測數(shù)據(jù)進行建模[7]。即：① 采用商品化建模軟件的建模方法是利用一些專門用于建模的商品化軟件(如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等)，基于原有的CAD設計圖紙和數(shù)據(jù)，利用AutoCAD+3DS軟件建模，最后通過函數(shù)接口讀入程序中，從而能夠真實表達建筑物內(nèi)部的細節(jié)特征。這些文件中已將模型剖分為空間三角網(wǎng)，我們只需將這組數(shù)據(jù)以一定的比例、角度在通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放在空間坐標系中定位，同時到實地拍攝建筑物的影像，運用圖像處理軟件制作出建筑物的表面紋理，貼附于模型之上，從而實現(xiàn)建筑物模型的重建。② 三維幾何自主建模這種建模方法是對建筑物進行三維幾何表示，它可以看作是從實際三維物體到物體模型的映像，但是目前這些重建方法一是建模精確不高，二是建模的工作量大。
基于激光數(shù)據(jù)歷史街區(qū)的三維重建主要是利用現(xiàn)有的激光點云數(shù)據(jù)快速地提取矢量化的建筑群模型，是工作量和模型精準度都優(yōu)于傳統(tǒng)的建模方法，目前國外很多學者在對基于激光的建筑物模型自動提取的研究做深入的研究，并取得一定成果，這為歷史街區(qū)三維重建提供了極大的便利。建筑物模型自動提取主要包括：①獲取建筑物的近似大小(長、寬、高);②區(qū)分出平頂和尖頂房屋;③區(qū)分出建筑物是矩形、T、L、U 和十字形狀;④獲得主要的屋頂面的個數(shù)和形狀;⑤ 檢測并分離距離較近的建筑物;⑥ 清除屋頂面上的擾動或者噪音(包括天窗和煙筒);⑦ 檢測出屋頂上的小建筑并將他們合為一體[8]。圖5是福州市三坊七巷歷史保護街區(qū)現(xiàn)場測繪的激光點云掃描后恢復的三維場景。
4.3 歷史 街區(qū)三維重建的 應用
4.3.1提高歷史街區(qū)保護與更新中的公眾參與程度
縱觀歷史街區(qū)保護與更新的 理論 和 實踐的 發(fā)展 過程，可以看出，歷史街區(qū)的保護更新離不開生活在其中的公眾的參與和支持，歷史街區(qū)的改造和公眾的參與就像“魚和水”的關(guān)系一樣，是相互依賴、共同生長和發(fā)展的。當今歷史街區(qū)保護更新的發(fā)展趨勢也漸漸向公眾參與的方向發(fā)展，小規(guī)模改造、“微循環(huán)”式的改造都離不開公眾全方位的參與和支持。三維重建后的虛擬歷史街區(qū)將繼續(xù)秉承虛擬現(xiàn)實的優(yōu)勢，增強公眾對改造后街區(qū)在感官上的認識，從而提高歷史街區(qū)保護與更新中的公眾參與程度。
4.3.2 多種歷史 建筑要素的比較以及綜合或?qū)ｍ椩u價
三維重建后，通過搜索出歷史建筑要素的邊界，求出輪廓線，然后將 研究 對象與建筑圖庫中不同歷史年代對應元素進行比較，便可作出評價和結(jié)論。
4.3.3對木構(gòu)做法、建筑格局進行深度 分析
建筑格局比較復雜，主要有庭院式布局(廊院式、合院式);非庭院式布局(貫聯(lián)式布局、聯(lián)排式布局、散點式布局)。通過三維重建，搜索出所有建筑的邊界、中心、法線方向，最后由專家根據(jù) 自然 環(huán)境、風水、民俗等進行評價，并做出結(jié)論。
總之，通過對歷史街區(qū)的特征著手分析，如：①有序的魚骨狀街坊格局;②連綿起伏的屋脊，坡屋頂構(gòu)筑的天際輪廓線;③街巷口門拱門樓、粉墻灰瓦、朱門雨檐門斗、條石路面等獨特內(nèi)涵構(gòu)成的連續(xù)坊巷界面;④是組合多進式、前堂后寢邊花廳式的平面布局;⑤是“觀音兜”式封火墻、夯土防火墻、飛檐翹角等墻式;⑥是以石、土、磚、木等的建筑材質(zhì)。這些特征，極大地優(yōu)化了所得的激光數(shù)據(jù)，為歷史街區(qū)三維重建及肌理分析打下了良好的基礎。
5前景及存在 問題
5.1前景
5.1.1潛在用戶
國家建設部已經(jīng)正式批準了100余座歷史 文化名城，其中絕大部分都存在古建筑的保護與利用問題，如北京的故宮、福州的三坊七巷等。據(jù)文物部門 統(tǒng)計，我國 目前 被列入保護范圍的古建筑群有近30萬處。利用激光掃描技術(shù)快速構(gòu)建古建筑三維模型的技術(shù) 方法 ，具有重要的理論意義和應用價值。各歷史文化名城的規(guī)劃建設部門和文物保護單位都將是該應用的潛在用戶。
5.1.2市場前景
隨著激光掃描硬件 軟件性價比的不斷提升，古建筑空間結(jié)構(gòu)的快速三維重構(gòu)技術(shù)將受到各類用戶的青睞。已修復完成的地區(qū)可以利用該技術(shù)建立歷史街區(qū)的完整三維虛擬模型，用于展示和推廣(包括 網(wǎng)絡 上的推廣);尚未修復的地區(qū)在建立三維虛擬模型之后，可以利用三維設計CAD軟件對修復 工作進行方案設計，從而顯著提高工作效率。因此，該技術(shù)成果將具有良好的市場前景。
5.1.3 經(jīng)濟 效益及 社會 作用
由于存在較大的潛在市場，成果將會產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。由此帶來的城市歷史文脈的保留與延續(xù)，則有利于提升城市的品質(zhì)，激發(fā)城市居民的歸屬感和自豪感，從而產(chǎn)生積極的社會意義。
5.2存在的問題
雖然已經(jīng)被廣泛地用于古建筑物的重建工作中，但是仍然存在很多的問題需要解決。各種普通的特征提取與處理算法直接應用于古建筑物重建中還有一定距離，自動化程度較低是目前困擾實際應用的一個重要難題，也是日后該應用研究力求解決的重要問題。
5.2.1 三維點云數(shù)據(jù)特征檢測。由于建筑物年代久遠、表面粗糙，給特征檢測中的閾值設定帶來了困難;另外，古建筑物的結(jié)構(gòu)復雜，表面形狀多變，難以用一種或幾種形狀表達。此外，在三維空間下的特征檢測本身就比較復雜。
5.2.2古建筑物模型重建。古建筑物重建過程中需要涉及到具有規(guī)則幾何形狀和任意形態(tài)的兩種類型的部件，如何界定并分離這兩種部件是比較困難的工作。由多個簡單幾何形體構(gòu)成復雜結(jié)構(gòu)的識別與重建也是十分復雜，一方面幾何的復雜性增加了特征檢測的不可靠性，另一方面，幾何的復雜性也給結(jié)構(gòu)的重建和表達帶來了困難。
5.2.3古建筑物紋理的提取
紋理可以充分表現(xiàn)建筑物的光影信息，使結(jié)果更加真實。正常的紋理產(chǎn)生可以通過提取每一個部件的紋理，使用多站點下紋理數(shù)據(jù)的融合實現(xiàn)，但是融合過程中如何選擇最優(yōu)的規(guī)則是一個技術(shù)難點。另外，當紋理缺失時，通過紋理的近似程度，從已有的數(shù)據(jù)中尋找近似紋理數(shù)據(jù)完成紋理缺失區(qū)域的補充是非常復雜的問題。
參考 文獻 ：
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