摘要:激光遥感技术的应用是日前古建筑和历史街区保护的新契机。本文首先介绍了激光遥感技术的原理和应用现 状;然后重点阐述了基于激光遥感技术的古建筑保护,包括: 古建筑量测、古建筑三维重建和基于三维重建古建筑保护应 用;并阐述了基于激光数据的历史街区三维重建及基于重建 的历史街区保护应用;最后分析了激光遥感技术在古建筑与 历史街区保护中的应用前景和亟待解决的问题。 关键词:激光遥感技术; 古建筑保护; 历史街区保护; 三维重建 Abstract:Nowadays, laserremote sensing greatchance protectingancient architectures historicdistricts. paperintroduces laserremote sensing technology; ancientarchitectures: measurement, 3D reconstruction protectingancient architectures based 3Dreconstruction; laser-based3D reconstruction historicdistricts redevelopinghistorical districts; Finally, needurgent solution ancientarchitectures historicdistricts based laserremote sensing technology. Key words :laser remote sensing protectionancient architecture historicdistrict 3Dreconstruction 中图分类号:O433.5+4 文献标识码:A 文章编号:1008-0422(2008)02-0121-04 城市古建筑及历史街区延续了城市历史文脉,是城市根 源的具体体现。随着经济社会的发展,必须采取积极的手段 进行保护、利用古建筑及历史街区。保护和利用过程需要对 古建筑进行维护、整理或修复,同时也需要保护或恢复历史 街区的空间格局与尺度。国家重大古建筑在大规模修复前要 求进行精确的测绘工作,以取得较完备的科学记录档案,为 古建筑规划保护和修复提供第一手资料,同时也是研究中国 古建筑史和建筑理论的重要资料[1]。因而对于保护、利用 古建筑及历史街区,测绘和记录两者的完备资料是最为主要 激光遥感技术的介入传统的由建筑师手绘的结构图和由地面近景摄影测量 方法测出的结构图都能够表达建筑的关键部位和整体结构, 但由于技术手段的局限,难以对古建筑进行快速测绘和对整 体立体空间进行清晰的表达。据文物部门统计,我国目前被 列入保护范围的古建筑群有近 30 万处,古建筑的保护、抢 救及修复的工作量非常大,而传统的建筑测绘和资料整理的 方法和技术手段远远不能满足古建筑保护的实际需要。 新型传感器——地面激光扫描仪和配套的专业数码相 机融合了激光扫描及遥感等技术,可以同时获取空间三维点 云(Point cloud)和彩色数字图像(Color imagery)两种数 据,扫描点空间定位精度达到 5~10mm 的扫描精度,使该项 技术成为欧美等国在高效率空间数据获取方面的研究热点。 近年欧美等地应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工 程设计及国防等方面,特别在城市三维景观、古建重建、虚 拟现实与仿真等方面。 激光扫描技术可以快速重构整个建筑的全方位立体空 间,完整描述建筑物的每一个关键要素,因此可以为古建筑 保护与更新提供真实准确的三维模型。保护方案依据真三维 模型来制定,不仅提高工作效率,而且修复计划的精细程度 和表现效果大为提高。因此,利用地面激光扫描仪进行古建 筑和历史街区的保护具有重要现实意义,也是一项高科技的 文化工程。 激光遥感技术的应用现状2.1 三维激光影像扫描技术原理 本文所提的激光遥感技术特指三维激光影像扫描技术, 三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”,它利用三维 地面激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫 描操作,并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑 中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等 各种制图数据, 同时, 它所采集的三维激光点云数据还可 进行各种后处理工作(如: 测绘、计量、分析、仿真、模拟、 展示、监测、虚拟现实等) [2]。所有采集的三维点云数据 及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程 软件直接使用。 在三维激光影像扫描仪所获数据组成的立体模型上可 以非常精确地量测出建筑物及物体的尺寸,完全可以代替传 统的测量方式。三维激光影像扫描仪的单点精度,一般可以 达到毫米级,这对于古代建筑物的几十米体量来说,精度已 经够用,并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差 [2]。三维激光扫描最大的意义在于效率高,激光扫描内外 业所需时间往往只有传统方法测量的1/20。另外传统方法只 测到了物体部分点的数据,而激光扫描则测量到了物体的全 部细节。 2.2 激光遥感应用现状 激光遥感应用范围非常广泛,主要包括对地形、建筑物 以及其他对象进行高精度测量。 2.2.1 带状地形测图数据采集 地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区 域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内,进行三维影像拼 接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国 家或城市坐标系中,用地形和地物的三维点云数据建立模 型,生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局 部不规则带状地形图测量,较常规测量速度快、精度高[3]。 2.2.2 建立高精度的数字地面模型和城市模型 三维激光扫描影像数据作为 GIS 系统和数据库更新的 重要来源。采集的三维点云数据经过拼接和合并后,进行数 据预处理剔除粗差数据,运用数据滤波和分类算法获得地面 高程数据以及地物数据。地面高程数据用于建立高精度的数 字地面模型,地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三 维模型的建立。 2.2.3 古文物建筑物测量及逆向工程应用 地面三维激光影像扫描技术可为三维数字化设计、三维 测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。 能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量,大型景观 (如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。1999 年,来自 斯坦福大学和华盛顿大学的一个 30 人小组使用三维激光扫 描系统对意大利佛罗伦萨的米开朗基罗的大卫雕像进行了 测量,近距离目标点的测量精度达到了亚毫米级[4]。举世 闻名的中国山西大同云冈石窟,时下正由文物管理专家展开 三维激光测绘,并绘制精确的“三维立面图”,以便对五万 余尊千年古佛像进行保护和修复。正在进行的北京故宫修复 工作中运用了多项现代测绘技术,其中包括激光扫描,它具 有快速、精确、多方位的特点,为古建筑测绘探索新的途径。 2.2.4 其它方面的应用 此外,地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备 的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监 测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、矿山及隧道测量和 大型水利工程安全监测与研究等方面[3]。 基于激光数据的古建筑保护应用3.1 古建筑量测 目前很多古代建筑缺少可用的CAD 数据,即使建立低水 平的细节CAD 模型,也需要借助测量和其他方法,必须进行 大量耗时的,成本高昂的,而且非常困难的测量,更不用说 制作正射影像了。数字正射影像是一种既具有像片影像特征 同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种。由于其 包含的信息丰富、直观性强,具有可量测性,因而受到人们 的广泛关注[5]。 采用三维激光影像扫描技术,能在不损伤建筑物的条件 下,快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件, 可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息,再经过 加工便制作成正射影像,向用户展示一个完全的实景彩色图 像。如图1 所示。相对于以往近景摄影来说,正射影像具有 更为精确的可量测性,古建筑设计和保护人员可以精确对 门、窗、柱、梁等构件进行测量,如图2 所示。借助CAD 可以制作出用于施工的CAD数据图,如图3 所示。 3.2 古建筑三维重建 古建筑三维重建的关键问题主要包括五个方面的因素, 其中两点直接影响到古建筑三维重建的真实性[6]: CAD 木构件数本身存在的问题,CAD 木构件模型是早期利用 AutoCAD 软件建立的线框图,由于线框模型只有点和直线段, 没有给出模型的表面信息,因此无法得到有关表面属性的拓 扑信息和几何信息,无法得到正确的几何模型信息化成为古 建筑三维重建的关键问题所在; 纹理材质的表现,纹理 和材质的映射除了能提供逼真的视觉感受以外,还能在一定 程度上展现建筑物的风格。古建筑除了其造型独特之外,其 色彩装饰的运用也是一大特色:古代匠师们根据色彩对人们 生理和心理所起的作用,采用色彩明暗的对比和冷暖色调调 和的手法来营造各种不同的色彩环境。古建筑物这种复杂的 色彩组合环境不可避免地带来了三维模型重建过程中纹理 和材质映射的难度。 而基于激光数据的古建筑三维重构就是以古建筑木构 架体系为知识体系,实现“古建筑的数字化”,在计算机环 境下从原有的无规则点云数据中高精度提取古建筑的表面 特征,利用规则的形状实现模型的表面重建,再现实际古建 筑的立体轮廓和真实纹理,完成复杂古建真三维的几何表 达,使得古建筑在三维表达上完全可以避免以上提到的两个 问题。所以图4 所示为基于三维激光扫描数据进行三维重建 的福州市孔庙三维模型。 另外从微观上来看,古建筑还包含一些具有表面形态丰 富多彩的艺术品,如石雕、砖雕、木雕、彩画等,这部分的 重建由于形态各异,在重建方面其对精确度和色彩真实性的 要求更为严格,以往的三维重建技术手法根本难以满足其要 求,而利用三维激光影像扫描技术获取到的激光数据无论在 精确度还是在色彩真实性上都可以用于艺术品的精细重建。 在著名的米开朗基罗项目中,激光扫描可以精确地得到雕像 的每个细节,目标点的距离测量精度实际达到了0.25mm, 另外还拍摄了 7000 幅的彩色数码相片用于渲染贴图,最终 的大卫雕像模型包含了 20 亿个多边形,其模型采用高密度 的Mesh 模型真实地表现建筑物中艺术品细腻的形态[4]。 3.3 基于激光数据的古建筑保护应用 通过对古建筑进行量测和三维重构,古建筑保护利用可 以有以下几个方面: 3.3.1 对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复 利用形状匹配技术,通过三维激光设备将文物数字化,通过空间曲面轮廓线的提取,并根据轮廓线的匹配结果可实 现残损文物的拼接复原。主要由曲面模型的匹配拼接、三维 曲面模型的融合和曲面的三维编辑,构造自动拼接与手工调 整相结合的文物复原过程模型,最后将三维计算机模型送入 快速成型设备复原微缩建筑进行实体检查,为文物研究及文 物保护提供准确的科学数据。 3.3.2 对典型建筑构件、营造技术或法式进行分析与剖 对台基、石雕、门窗、柱、柱础、屋檐、斗拱、梁、檩、屋顶等典型建筑构件进行分析、剖视、建模,及搭建过程的 演示。 基于激光数据的历史街区三维重建基于激光数据的历史街区三维重建主要是对历史街区 进行特征分析,屋顶、墙体、街道等要素的重建。 4.1 三维重建必要性 历史街区保护的原则之一:“原真性”与“可读性”相 结合。要保持或恢复街区的传统风貌,“原真性”是历史街 区保护与更新的一个首要原则。为使街区恢复“原汁原味”, 三维激光影像扫描技术可以进行充分地现场测绘,并可以获 取详细的照片,然后按照“整旧如故,以存其真”的原则, 依据每一幢建筑不同的建造年代、建筑风貌及建筑质量就可 以进行三维重建,从而达到保护和修缮的目的。另外基于激 光数据的历史街区三维重建可以快速地表达一个完整而具 有特色的空间形态,使“可读性”成为可能。 4.2 基于激光数据的历史街区三维重建 传统的用于街区建筑物批量建模的方法有两类:一类是 采用商品化建模软件进行建模,另一类是根据采集得到的观 测数据进行建模[7]。即: 采用商品化建模软件的建模方 法是利用一些专门用于建模的商品化软件(如:AutoCAD, 3Dmax,Maya,MultiGen 等),基于原有的CAD 设计图纸和数 据,利用 AutoCAD+3DS 软件建模,最后通过函数接口读入 程序中,从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文 件中已将模型剖分为空间三角网,我们只需将这组数据以一 定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定 位,同时到实地拍摄建筑物的影像,运用图像处理软件制作 出建筑物的表面纹理,贴附于模型之上,从而实现建筑物模 型的重建。 三维几何自主建模这种建模方法是对建筑物 进行三维几何表示,它可以看作是从实际三维物体到物体模 型的映像,但是目前这些重建方法一是建模精确不高,二是 建模的工作量大。 基于激光数据历史街区的三维重建主要是利用现有的 激光点云数据快速地提取矢量化的建筑群模型,是工作量和 模型精准度都优于传统的建模方法,目前国外很多学者在对 基于激光的建筑物模型自动提取的研究做深入的研究,并取 得一定成果,这为历史街区三维重建提供了极大的便利。