激光遙感技術(shù)的應(yīng)用是日前古建筑和歷史街區(qū)保護(hù)的新契機(jī),。本文首先介紹了激光遙感技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀,；然后重點(diǎn)闡述了基于激光遙感技術(shù)的古建筑保護(hù),，包括：古建筑量測(cè)、古建筑三維重建和基于三維重建古建筑保護(hù)應(yīng)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(hù)應(yīng)用,；最后分析了激光遙感技術(shù)在古建筑與歷史街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)題。
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(jì)社會(huì)的發(fā)展,，必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū),。保護(hù)和利用過(guò)程需要對(duì)古建筑進(jìn)行維護(hù),、整理或修復(fù)，同時(shí)也需要保護(hù)或恢復(fù)歷史街區(qū)的空間格局與尺度,。國(guó)家重大古建筑在大規(guī)模修復(fù)前要求進(jìn)行精確的測(cè)繪工作,，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑規(guī)劃保護(hù)和修復(fù)提供第一手資料,，同時(shí)也是研究中國(guó)古建筑史和建筑理論的重要資料[1],。因而對(duì)于保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū),，測(cè)繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的,。
1激光遙感技術(shù)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(cè)量方法測(cè)出的結(jié)構(gòu)圖都能夠表達(dá)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(duì)古建筑進(jìn)行快速測(cè)繪和對(duì)整體立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá),。據(jù)文物部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬(wàn)處,，古建筑的保護(hù),、搶救及修復(fù)的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測(cè)繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足古建筑保護(hù)的實(shí)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(jī)融合了激光掃描及遙感等技術(shù),，可以同時(shí)獲取空間三維點(diǎn)云(Point cloud)和彩色數(shù)字圖像(Color imagery)兩種數(shù)據(jù)，掃描點(diǎn)空間定位精度達(dá)到5~10mm的掃描精度,，使該項(xiàng)技術(shù)成為歐美等國(guó)在高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究熱點(diǎn),。近年歐美等地應(yīng)用涉及城市規(guī)劃、資源調(diào)查,、災(zāi)害管理,、工程設(shè)計(jì)及國(guó)防等方面，特別在城市三維景觀,、古建重建,、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等方面。
激光掃描技術(shù)可以快速重構(gòu)整個(gè)建筑的全方位立體空間,，完整描述建筑物的每一個(gè)關(guān)鍵要素,，因此可以為古建筑保護(hù)與更新提供真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型。保護(hù)方案依據(jù)真三維模型來(lái)制定,，不僅提高工作效率,，而且修復(fù)計(jì)劃的精細(xì)程度和表現(xiàn)效果大為提高。因此，利用地面激光掃描儀進(jìn)行古建筑和歷史街區(qū)的保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義,，也是一項(xiàng)高科技的文化工程,。
2激光遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1三維激光影像掃描技術(shù)原理
本文所提的激光遙感技術(shù)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(shí)景復(fù)制技術(shù)”,，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作,，并直接將各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線,、面,、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù), 同時(shí), 它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作(如: 測(cè)繪,、計(jì)量,、分析、仿真,、模擬,、展示、監(jiān)測(cè),、虛擬現(xiàn)實(shí)等) [2],。所有采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)出建筑物及物體的尺寸,，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方式,。三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度，一般可以達(dá)到毫米級(jí),，這對(duì)于古代建筑物的幾十米體量來(lái)說(shuō),，精度已經(jīng)夠用，并且它建模以后的量測(cè)精度不比傳統(tǒng)測(cè)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(shí)間往往只有傳統(tǒng)方法測(cè)量的1/20,。另外傳統(tǒng)方法只測(cè)到了物體部分點(diǎn)的數(shù)據(jù),，而激光掃描則測(cè)量到了物體的全部細(xì)節(jié)。
2.2激光遙感應(yīng)用現(xiàn)狀
激光遙感應(yīng)用范圍非常廣泛,，主要包括對(duì)地形,、建筑物以及其他對(duì)象進(jìn)行高精度測(cè)量。
2.2.1帶狀地形測(cè)圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀可進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描,。在具有一定重復(fù)掃描區(qū)域內(nèi),，進(jìn)行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖。通過(guò)少量的測(cè)量控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到國(guó)家或城市坐標(biāo)系中,，用地形和地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型,，生成帶狀地形圖。對(duì)于鐵路,、公路,、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測(cè)量,，較常規(guī)測(cè)量速度快、精度高[3],。
激光遙感技術(shù)的應(yīng)用是日前古建筑和歷史街區(qū)保護(hù)的新契機(jī),。本文首先介紹了激光遙感技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀；然后重點(diǎn)闡述了基于激光遙感技術(shù)的古建筑保護(hù),，包括：古建筑量測(cè),、古建筑三維重建和基于三維重建古建筑保護(hù)應(yīng)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(hù)應(yīng)用,；最后分析了激光遙感技術(shù)在古建筑與歷史街區(qū)保護(hù)中的應(yīng)用前景和亟待解決的問(wèn)題,。
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(jì)社會(huì)的發(fā)展,，必須采取積極的手段進(jìn)行保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū),。保護(hù)和利用過(guò)程需要對(duì)古建筑進(jìn)行維護(hù),、整理或修復(fù)，同時(shí)也需要保護(hù)或恢復(fù)歷史街區(qū)的空間格局與尺度,。國(guó)家重大古建筑在大規(guī)模修復(fù)前要求進(jìn)行精確的測(cè)繪工作,，以取得較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑規(guī)劃保護(hù)和修復(fù)提供第一手資料,，同時(shí)也是研究中國(guó)古建筑史和建筑理論的重要資料[1],。因而對(duì)于保護(hù)、利用古建筑及歷史街區(qū),，測(cè)繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的,。
1激光遙感技術(shù)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(cè)量方法測(cè)出的結(jié)構(gòu)圖都能夠表達(dá)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(duì)古建筑進(jìn)行快速測(cè)繪和對(duì)整體立體空間進(jìn)行清晰的表達(dá),。據(jù)文物部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬(wàn)處,，古建筑的保護(hù),、搶救及修復(fù)的工作量非常大，而傳統(tǒng)的建筑測(cè)繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足古建筑保護(hù)的實(shí)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(jī)融合了激光掃描及遙感等技術(shù),，可以同時(shí)獲取空間三維點(diǎn)云(Point cloud)和彩色數(shù)字圖像(Color imagery)兩種數(shù)據(jù)，掃描點(diǎn)空間定位精度達(dá)到5~10mm的掃描精度,，使該項(xiàng)技術(shù)成為歐美等國(guó)在高效率空間數(shù)據(jù)獲取方面的研究熱點(diǎn),。近年歐美等地應(yīng)用涉及城市規(guī)劃、資源調(diào)查、災(zāi)害管理,、工程設(shè)計(jì)及國(guó)防等方面,，特別在城市三維景觀、古建重建,、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等方面,。
激光掃描技術(shù)可以快速重構(gòu)整個(gè)建筑的全方位立體空間，完整描述建筑物的每一個(gè)關(guān)鍵要素,，因此可以為古建筑保護(hù)與更新提供真實(shí)準(zhǔn)確的三維模型,。保護(hù)方案依據(jù)真三維模型來(lái)制定，不僅提高工作效率,，而且修復(fù)計(jì)劃的精細(xì)程度和表現(xiàn)效果大為提高,。因此，利用地面激光掃描儀進(jìn)行古建筑和歷史街區(qū)的保護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義,，也是一項(xiàng)高科技的文化工程,。
2激光遙感技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1三維激光影像掃描技術(shù)原理
本文所提的激光遙感技術(shù)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(shí)景復(fù)制技術(shù)”,，它利用三維地面激光掃描儀可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行掃描操作,，并直接將各種實(shí)體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線,、面,、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù), 同時(shí), 它所采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作(如: 測(cè)繪,、計(jì)量,、分析、仿真,、模擬,、展示、監(jiān)測(cè),、虛擬現(xiàn)實(shí)等) [2],。所有采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維建模數(shù)據(jù)都可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)出建筑物及物體的尺寸,，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方式,。三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度，一般可以達(dá)到毫米級(jí),，這對(duì)于古代建筑物的幾十米體量來(lái)說(shuō)，精度已經(jīng)夠用,，并且它建模以后的量測(cè)精度不比傳統(tǒng)測(cè)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(shí)間往往只有傳統(tǒng)方法測(cè)量的1/20。另外傳統(tǒng)方法只測(cè)到了物體部分點(diǎn)的數(shù)據(jù),，而激光掃描則測(cè)量到了物體的全部細(xì)節(jié),。
2.2激光遙感應(yīng)用現(xiàn)狀
激光遙感應(yīng)用范圍非常廣泛，主要包括對(duì)地形,、建筑物以及其他對(duì)象進(jìn)行高精度測(cè)量,。
2.2.1帶狀地形測(cè)圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀可進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域分段掃描。在具有一定重復(fù)掃描區(qū)域內(nèi),，進(jìn)行三維影像拼接和合并生成帶狀影像圖,。通過(guò)少量的測(cè)量控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換到國(guó)家或城市坐標(biāo)系中，用地形和地物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立模型,，生成帶狀地形圖,。對(duì)于鐵路、公路,、大江大渠兩岸的局部不規(guī)則帶狀地形圖測(cè)量,，較常規(guī)測(cè)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(kù)更新的重要來(lái)源,。采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拼接和合并后，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除粗差數(shù)據(jù),，運(yùn)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(biāo)識(shí)別處理可實(shí)現(xiàn)城市三維模型的建立,。
2.2.3古文物建筑物測(cè)量及逆向工程應(yīng)用
地面三維激光影像掃描技術(shù)可為三維數(shù)字化設(shè)計(jì),、三維測(cè)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(wù),。能夠快速高精度地完成復(fù)雜的古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量,，大型景觀(如建造大佛景觀)三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模板制作。
1999年,，來(lái)自斯坦福大學(xué)和華盛頓大學(xué)的一個(gè)30人小組使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)意大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛(wèi)雕像進(jìn)行了測(cè)量,，近距離目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量精度達(dá)到了亞毫米級(jí)[4]。舉世聞名的中國(guó)山西大同云岡石窟,，時(shí)下正由文物管理專家展開三維激光測(cè)繪,，并繪制精確的“三維立面圖”，以便對(duì)五萬(wàn)余尊千年古佛像進(jìn)行保護(hù)和修復(fù),。正在進(jìn)行的北京故宮修復(fù)工作中運(yùn)用了多項(xiàng)現(xiàn)代測(cè)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(diǎn),，為古建筑測(cè)繪探索新的途徑。
2.2.4其它方面的應(yīng)用
此外,，地面三維激光影像掃描儀可應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測(cè)量與建模,、房屋建模與房產(chǎn)圖測(cè)量、工程建筑物變形監(jiān)測(cè),、災(zāi)害三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),、事故災(zāi)害評(píng)估、礦山及隧道測(cè)量和大型水利工程安全監(jiān)測(cè)與研究等方面[3],。
3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護(hù)應(yīng)用
3.1古建筑量測(cè)
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(xì)節(jié)CAD模型，也需要借助測(cè)量和其他方法,，必須進(jìn)行大量耗時(shí)的,，成本高昂的，而且非常困難的測(cè)量,，更不用說(shuō)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(shí)又具有線劃地圖數(shù)學(xué)、幾何與制圖特征的圖種,。由于其包含的信息豐富,、直觀性強(qiáng)，具有可量測(cè)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(guò)使用軟件，可以快速地為掃描獲得的點(diǎn)云賦予相應(yīng)的彩色信息,，再經(jīng)過(guò)加工便制作成正射影像,，向用戶展示一個(gè)完全的實(shí)景彩色圖像。如圖1所示,。相對(duì)于以往近景攝影來(lái)說(shuō),，正射影像具有更為精確的可量測(cè)性，古建筑設(shè)計(jì)和保護(hù)人員可以精確對(duì)門,、窗,、柱、梁等構(gòu)件進(jìn)行測(cè)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(wèn)題主要包括五個(gè)方面的因素,，其中兩點(diǎn)直接影響到古建筑三維重建的真實(shí)性[6]：① CAD木構(gòu)件數(shù)本身存在的問(wèn)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(diǎn)和直線段,，沒(méi)有給出模型的表面信息，因此無(wú)法得到有關(guān)表面屬性的拓?fù)湫畔⒑蛶缀涡畔?，無(wú)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(wèn)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(fēng)格,。古建筑除了其造型獨(dú)特之外，其色彩裝飾的運(yùn)用也是一大特色：古代匠師們根據(jù)色彩對(duì)人們生理和心理所起的作用,，采用色彩明暗的對(duì)比和冷暖色調(diào)調(diào)和的手法來(lái)營(yíng)造各種不同的色彩環(huán)境,。古建筑物這種復(fù)雜的色彩組合環(huán)境不可避免地帶來(lái)了三維模型重建過(guò)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(shí)體系,，實(shí)現(xiàn)“古建筑的數(shù)字化”,，在計(jì)算機(jī)環(huán)境下從原有的無(wú)規(guī)則點(diǎn)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(shí)現(xiàn)模型的表面重建,，再現(xiàn)實(shí)際古建筑的立體輪廓和真實(shí)紋理,，完成復(fù)雜古建真三維的幾何表達(dá)，使得古建筑在三維表達(dá)上完全可以避免以上提到的兩個(gè)問(wèn)題,。所以圖4所示為基于三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建的福州市孔廟三維模型,。
另外從微觀上來(lái)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(duì)精確度和色彩真實(shí)性的要求更為嚴(yán)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(wú)論在精確度還是在色彩真實(shí)性上都可以用于藝術(shù)品的精細(xì)重建。在著名的米開朗基羅項(xiàng)目中,，激光掃描可以精確地得到雕像的每個(gè)細(xì)節(jié),，目標(biāo)點(diǎn)的距離測(cè)量精度實(shí)際達(dá)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(gè)多邊形,，其模型采用高密度的Mesh模型真實(shí)地表現(xiàn)建筑物中藝術(shù)品細(xì)膩的形態(tài)[4]。
3.3基于激光數(shù)據(jù)的古建筑保護(hù)應(yīng)用
通過(guò)對(duì)古建筑進(jìn)行量測(cè)和三維重構(gòu),，古建筑保護(hù)利用可以有以下幾個(gè)方面：
3.3.1對(duì)細(xì)部和裝飾殘缺的或已經(jīng)破壞的古建筑進(jìn)行復(fù)原
利用形狀匹配技術(shù),，通過(guò)三維激光設(shè)備將文物數(shù)字化,，通過(guò)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(shí)現(xiàn)殘損文物的拼接復(fù)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(dòng)拼接與手工調(diào)整相結(jié)合的文物復(fù)原過(guò)程模型,，最后將三維計(jì)算機(jī)模型送入快速成型設(shè)備復(fù)原微縮建筑進(jìn)行實(shí)體檢查,，為文物研究及文物保護(hù)提供準(zhǔn)確的科學(xué)數(shù)據(jù)。
3.3.2對(duì)典型建筑構(gòu)件,、營(yíng)造技術(shù)或法式進(jìn)行分析與剖視
對(duì)臺(tái)基,、石雕、門窗,、柱,、柱礎(chǔ)、屋檐,、斗拱,、梁、檁,、屋頂?shù)鹊湫徒ㄖ?gòu)件進(jìn)行分析,、剖視、建模,，及搭建過(guò)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(duì)歷史街區(qū)進(jìn)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(hù)的原則之一：“原真性”與“可讀性”相結(jié)合,。要保持或恢復(fù)街區(qū)的傳統(tǒng)風(fēng)貌,，“原真性”是歷史街區(qū)保護(hù)與更新的一個(gè)首要原則。為使街區(qū)恢復(fù)“原汁原味”,，三維激光影像掃描技術(shù)可以進(jìn)行充分地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪,，并可以獲取詳細(xì)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(fēng)貌及建筑質(zhì)量就可以進(jìn)行三維重建,，從而達(dá)到保護(hù)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(dá)一個(gè)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(jìn)行建模,，另一類是根據(jù)采集得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)圖紙和數(shù)據(jù),，利用AutoCAD＋3DS軟件建模,，最后通過(guò)函數(shù)接口讀入程序中,，從而能夠真實(shí)表達(dá)建筑物內(nèi)部的細(xì)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(guò)旋轉(zhuǎn),、平移、縮放在空間坐標(biāo)系中定位,，同時(shí)到實(shí)地拍攝建筑物的影像,，運(yùn)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(shí)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(duì)建筑物進(jìn)行三維幾何表示，它可以看作是從實(shí)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(diǎn)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(zhǔn)度都優(yōu)于傳統(tǒng)的建模方法,，目前國(guó)外很多學(xué)者在對(duì)基于激光的建筑物模型自動(dòng)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(dòng)提取主要包括：①獲取建筑物的近似大小(長(zhǎng)、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(gè)數(shù)和形狀,；⑤ 檢測(cè)并分離距離較近的建筑物；⑥ 清除屋頂面上的擾動(dòng)或者噪音（包括天窗和煙筒）,；⑦ 檢測(cè)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(hù)街區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的激光點(diǎn)云掃描后恢復(fù)的三維場(chǎng)景,。
4.3歷史街區(qū)三維重建的應(yīng)用
4.3.1提高歷史街區(qū)保護(hù)與更新中的公眾參與程度
縱觀歷史街區(qū)保護(hù)與更新的理論和實(shí)踐的發(fā)展過(guò)程，可以看出,，歷史街區(qū)的保護(hù)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(zhǎng)和發(fā)展的,。當(dāng)今歷史街區(qū)保護(hù)更新的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)公眾對(duì)改造后街區(qū)在感官上的認(rèn)識(shí),，從而提高歷史街區(qū)保護(hù)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?xiàng)評(píng)價(jià)
三維重建后，通過(guò)搜索出歷史建筑要素的邊界,，求出輪廓線,，然后將研究對(duì)象與建筑圖庫(kù)中不同歷史年代對(duì)應(yīng)元素進(jìn)行比較，便可作出評(píng)價(jià)和結(jié)論,。
4.3.3對(duì)木構(gòu)做法,、建筑格局進(jìn)行深度分析
建筑格局比較復(fù)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(diǎn)式布局),。通過(guò)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(fēng)水,、民俗等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并做出結(jié)論,。
總之,，通過(guò)對(duì)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(dú)特內(nèi)涵構(gòu)成的連續(xù)坊巷界面；④是組合多進(jìn)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(chǔ)。
5前景及存在問(wèn)題
5.1前景
5.1.1潛在用戶
國(guó)家建設(shè)部已經(jīng)正式批準(zhǔn)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(hù)與利用問(wèn)題，如北京的故宮,、福州的三坊七巷等,。據(jù)文物部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前被列入保護(hù)范圍的古建筑群有近30萬(wàn)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(yīng)用價(jià)值。各歷史文化名城的規(guī)劃建設(shè)部門和文物保護(hù)單位都將是該應(yīng)用的潛在用戶,。
5.1.2市場(chǎng)前景
隨著激光掃描硬件軟件性價(jià)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(fù)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(luò)上的推廣),；尚未修復(fù)的地區(qū)在建立三維虛擬模型之后，可以利用三維設(shè)計(jì)CAD軟件對(duì)修復(fù)工作進(jìn)行方案設(shè)計(jì),，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(chǎng)前景,。
5.1.3 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)作用
由于存在較大的潛在市場(chǎng),，成果將會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。由此帶來(lái)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(huì)意義。
5.2存在的問(wèn)題
激光遙感技術(shù)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(wèn)題需要解決,。各種普通的特征提取與處理算法直接應(yīng)用于古建筑物重建中還有一定距離，自動(dòng)化程度較低是目前困擾實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要難題,，也是日后該應(yīng)用研究力求解決的重要問(wèn)題,。
5.2.1 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征檢測(cè)。由于建筑物年代久遠(yuǎn),、表面粗糙,，給特征檢測(cè)中的閾值設(shè)定帶來(lái)了困難；另外,，古建筑物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，表面形狀多變，難以用一種或幾種形狀表達(dá),。此外,，在三維空間下的特征檢測(cè)本身就比較復(fù)雜。
5.2.2古建筑物模型重建,。古建筑物重建過(guò)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(gè)簡(jiǎn)單幾何形體構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的識(shí)別與重建也是十分復(fù)雜,，一方面幾何的復(fù)雜性增加了特征檢測(cè)的不可靠性,，另一方面，幾何的復(fù)雜性也給結(jié)構(gòu)的重建和表達(dá)帶來(lái)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(shí)。正常的紋理產(chǎn)生可以通過(guò)提取每一個(gè)部件的紋理,，使用多站點(diǎn)下紋理數(shù)據(jù)的融合實(shí)現(xiàn),，但是融合過(guò)程中如何選擇最優(yōu)的規(guī)則是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。另外,，當(dāng)紋理缺失時(shí),，通過(guò)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(bǔ)充是非常復(fù)雜的問(wèn)題,。
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