遺產保護點云技術下的建筑文化論文

導語：遺產保護點云技術下的建筑文化論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1點云技術的發展

隨著測量速度的提升，測量形式也由量變引起質變，由單點測量革命性的進化到面測量階段。數據也由少量的特征點的數據升華到海量數據的點云階段。從硬件方面來說，1995年Cyrax推出世界上第一個點云獲取的三維激光掃描儀的原型產品，當時點云獲取速度100點/s;經過十幾年的發展，目前最新一代的產品中，掃描儀的點云數據獲取速度達到100萬點/s。從軟件方面來說，隨著硬件的提升，點云數據量急劇膨脹，如何瀏覽、處理、分析和展示海量的點云，成為軟件研發的重要內容。尤其是如何在點云中提取需要的信息并最終以成果的形式加以呈現，是點云技術運用的關鍵。點云處理軟件的研究，也是逆向工程領域的一個重要研究方面。目前，通用的成熟的點云處理軟件，主要包括Polyworks，Geomagic等。

2建筑文化遺產保護中點云的應用

建筑文化遺產負載著歷史與文化信息，總是以各種形式各種載體體現在現實空間之中。建筑文化遺產不是永存的，隨著歲月的變遷和外界環境的變化，建筑文化遺產會慢慢消逝。尤其是當前，隨著我國經濟社會的快速發展，社會生活的各個方面都在發生急劇變化，特別是城市化進程的加快，使得原有的建筑遺存消失的速度大大加快，如果不能及時加以發掘和保護，則很可能在極短的時間內消逝。而給建筑文化遺產建立檔案尤其是數字檔案，無疑是保護工作的重要的一個前期環節。隨著科技的進步，給建筑文化遺產建立數字檔案的手段越來越多，越來越先進。點云作為一種新的測量技術，又被稱作“實景復制”，是一種非常適合建筑文化遺產的技術手段。點云技術應用于建筑文化遺產保護有如下優勢:首先，非接觸的數據獲取方式，在不觸及文化遺產的條件下進行保護研究，從而減少保護干預中的不必要破壞，提高復原遺產古貌的準確性;其次，掃描速度快，獲取數據的外業工作時間大大縮短，提高了工作效率，減少了工作強度，減少了重復測量的次數，節省了人工;第三，三維激光掃描技術獲取的數據精度高，減少了傳統人工獲取數據的偶然性誤差;第四，改變了傳統的數據采集方式，無需搭建腳手架，直接在地面獲取完整數據，提高了工作安全性;第五，數據記錄全面翔實，且展示成果多樣。由于點云技術在建筑文化遺產保護方面具有上述獨特的特性，因此自2000年以來，點云技術逐漸被應用到國內的一些建筑文化遺產的保護研究和實踐之中。代表性的有麥積山石窟數字化技術應用研究、頤和園標志建筑———佛香閣精細測繪、中國古建筑精細測繪———晉祠圣母殿精細測繪、中國古建筑精細測繪———山西萬榮稷王廟、山西平遙鎮國寺天王殿與萬佛殿精細測繪、北京先農壇太歲殿古建筑精細測繪、武當山南巖宮兩儀殿精細測繪與三維建模技術研究、三維激光掃描測量建模技術研究及在故宮古建筑測繪中的應用(國家測繪局測繪科技進步一等獎)等。另外，長城、敦煌莫高窟、云岡石窟、龍門石窟、樂山大佛、佛光寺、普樂寺、寧波保國寺、開平碉樓等一批國內的歷史建筑、石窟、寺廟等建筑文化遺產，都有了點云技術的運用［2～5］。

3點云的精度

作為基礎數據，點云的質量直接影響后期處理的成果的精度。點云的精度一般包含了單點測量精度、角度精度、表面模型的精度、標靶的精度、雙軸補償器的精度等。國內學者對于掃描儀的精度指標，已經有了一些探究［6～8］。其中，前三者與數據獲取的硬件設備緊密相關;而模型表面精度很大程度上取決于軟件的算法。距離精度是指沿著激光發射裝置和被測物體的連線的方向上，測量值和真值之間的偏差。點位精度是指垂直于激光發射裝置和被測物體的連線的方向上，測量值的與真值之間的偏差。距離精度和點位精度，統稱為點云的范圍噪音。范圍噪音與數據獲取的硬件設備的精度直接相關，也與外界環境，比如溫度、氣壓和被測物體本身的反射率相關。并且，由于激光測量的誤差始終存在，決定了范圍噪音隨著硬件技術的提升只能盡可能的減小，不能完全杜絕。圖1顯示了同一個被測物體(橫線代表被測的墻面)的高范圍噪音和低范圍噪音的數據，其中的小圓點代表了點云數據中的一個點［9］。需要強調的是，范圍噪音是一個基于單點測量的精度的概念，它是多次重復測量的單點精度和重復性的度量，不是整體點云的絕對的準確度。這里需要引入一個描述點云的處理結果精度的概念:模型表面精度。所謂模型表面精度，是指利用軟件對點云中的大量的散點進行統計分析后，建立表面模型，得到的模型與真值之間的偏差。以圖1中的兩個數據為例，分別對兩個數據進行統計分析建立模型之后，擬合出來的模型平面將非常接近。并且擬合出來的結果與真實墻面之間的偏差要大大小于范圍噪音。也就是說，由于模型表面精度是對大量散點統計計算后得出的結果，因此其比范圍噪音在數值上更小，也即模型表面精度要優于范圍噪音。模型表面精度與點云的質量有關，也與軟件中的算法有關。

4點云的數據處理

點云作為基礎數據，記錄了目標對象的坐標信息、反射率信息和紋理信息。而對點云的處理，主要分為色彩的處理、點狀和線狀特征的提取和體特征的提取。點云作為客觀世界的真實記錄，色彩還原是基礎的步驟。原始的點云數據一般都是單色或者假彩色。單色是給點云賦予了單一的色彩，而假彩色則是根據一定的規則，比如點云中點的反射率的強弱(返回激光與出射激光之間的能量比值)或是點的高度，有規律的賦予每個點彩色信息。對于建筑文化遺產保護而言，一般需要還原為真彩色的點云數據。通常，采用高分辨率的數碼相機記錄下真實的色彩和紋理，通過軟件，進行紋理映射，將點云還原成真彩色。對于點狀和線狀特征的提取，一般在現有的點云處理軟件都可以實現。點狀特征比較容易提取，可直接在點云中捕捉。線狀特征可直接通過捕捉關鍵點生成，也可通過軟件中的一些算法實現。比如利用徠卡的基于CAD的CloudWorx插件，可在CAD中打開點云數據，進行切片處理，得到的點云切片可通過軟件自帶的擬合功能，將直線、圓、弧段等線狀特征通過計算自動擬合生成。對于體特征的提取，如果對象是規則的幾何體，可通過點、線、平面、柱體、臺體、球體等或它們的組合加以實現。而對于建筑文化遺產中的非規則對象，特別是中國古典建筑和雕塑等對象，其表面是復雜曲面，無法通過規則的幾何體進行表面建模，就需要專門的軟件進行體特征的提取。這類軟件主要有Polyworks和Geomagic等。其方法是通過一定的算法，構建對象表面的三角格網，從而形成對象的表面模型。再通過專門的虛擬現實軟件，比如3Dmax或Skyline等展示平臺，可以將建筑文化遺產數字化的展現。圖2顯示了點云技術對一座鐘亭的數據處理流程和成果形式。

5成果形式

點云在建筑文化遺產保護中的成果形式主要有以下幾類［1］:

5.1原始點云

點云數據是實際物體的真實尺寸的復原，是目前最完整、最精細和最快捷的對建筑文化遺產現狀進行檔案保存的手段。點云數據不但包含了對象物體的空間尺寸信息和反射率信息，還可以精細的保留對象物體的紋理色彩信息;結合其他定位儀器可以將整個對象數據放置在一定的空間坐標系內。通過點云處理軟件，我們可以在點云中實現漫游、瀏覽和對物體尺寸、角度、面積、體積等的量測。徹底替代了傳統的用皮尺測量的方法，直接將對象物體移到電腦中，利用點云在電腦中完成傳統的數據測繪工作，是完全地將實景復制到了電腦中。

5.2線畫圖件

作為傳統的文化遺產保護尤其是建筑文化遺產的成果之一，是各種的線畫圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖等。這些圖件可以表示建筑物文化內部的結構或構造形式、分層情況，說明建筑物的長、寬、高的尺寸，地面標高，層頂的形式，門窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設計形式和各部位的聯系、材料及其高度等。利用點云數據，在CAD中使用基于CAD的點云處理插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面、剖面圖和正射影像圖。不但制圖速度大大提高，也提高了制圖精度，還大大減少了外業人員的工作量。

5.3網絡

利用各種點云軟件和三維展示平臺，掃描的點云可以在互聯網上，讓遠端用戶通過互聯網有如置身于真實的現場環境之中。的點云不但可以網上瀏覽，還可以實現基于互聯網的量測、標注等。有利于數據共享和現有文物的網上展示。尤其是對于一些不宜長期向公眾開放的文物景點，通過網上的彩色點云數據，可以滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求。

5.4數字化模型

點云技術比較適用于建筑文化遺產中的古典建筑、古墓葬、石窟、佛像、雕塑等的虛擬再現。掃描獲取的數據可以利用專門的點云處理軟件進行建模，構建表面格網模型，再通過紋理映射或是導入到其他三維軟件中進行紋理貼圖，最終得到建筑文化遺產的數字化的模型。

5.5建筑文化遺產的視頻資料

結合點云處理軟件的空間漫游和電影動畫制作功能，在掃描后的點云中設置漫游路徑，可以實現有如真實空間中的漫游效果。通過點云處理軟件自帶的記錄功能，可以將漫游過程錄制成視頻文件，這是虛擬漫游的很好的工具，也有利于作為成果進行保存、宣傳和展示。

6研究和應用探討

目前，點云技術在建筑文化遺產保護的應用正逐步拓展和深入。在實踐中我們也發現了該項技術的一些值得研究和應用的課題。一是自動噪音剔除技術。點云的數據量非常豐富，在記錄了目標對象的豐富的信息的同時，也記錄了大量的無關的噪音信息。目前對噪音信息的剔除主要通過手工的方式，如何提高噪音的自動識別和剔除，是應用和研究的一個方向。二是自動成圖技術。點云提供了基礎的原始數據，如何通過軟件自動的獲取各種需要的成果圖件，提高成圖的效率和精度，也是將來研究的一個方向。三是自動建模技術。目前在識別點云數據中的體模型時，只能半自動的識別一些規則的幾何體，而對于非規則幾何體的復雜曲面，如何實現準確高效的自動建模，也是點云處理軟件的一個研究的重要方向。四是對中國的古典建筑文化而言，如何將中國傳統建筑的構件參數化，建立中國古典建筑的模型庫，將也是研究和應用方面的一個重要課題。傳統建筑模型庫的建立，將大大提高點云技術在中國建筑文化遺產保護應用中的適用性和效率。五是標準和規范問題。點云技術作為一個新技術，加上相對而言實施項目的絕對數量并不是很大，因此目前尚無系統的工作方法、規范與標準。方法與標準的統一，有助于數據的共享，有助于將來實現全國乃至全球范圍內的文化遺產保護的基礎數據庫。上述方法和標準問題還需要測繪、文化遺產保護、歷史、計算機等各方面專家的共同努力。點云技術的出現，大幅度提高了建筑文化遺產測繪的工作效率和成果表現形式。在建筑文化遺產的現狀測繪與數字化存檔、虛擬重建、災害分析、輔助修復、信息管理等方面都具有非常重要的現實意義。這項新技術在實踐過程中的一些方法還需要進一步的探討和總結，有一些標準有必要盡快建立，以便于推動我國的建筑文化遺產保護事業的發展進程。

作者：李濱1程承旗2段奇三3工作單位：1.北京大學遙感與地理信息系統研究所2.北京大學工學院3.天元集思(北京)科技發展有限公司