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激光雷达古建筑与代表性建筑精密测量与建模

2011-08-02  来源:科技日报  

  “故宫里到处是历史,故宫的大修也是历史。”
  2003年开始的故宫大修,是一个将历时17年、修缮和建设项目达数百项的庞大工程。在这一过程中,激光雷达技术被应用于古建筑数字化保护。
  “罗哲文先生多次强调:文物的价值在于它的存在,如果它不存在了,所有的价值就都没了。想办法让它存在下去,是我们的责任。”原故宫博物院副院长晋宏逵说,“在有效、无害的原则下,现代技术在解读、记录和保护古建筑上有其特殊的优势。现代技术可以完成一些传统技术无法完成的工作,并提高效率。比如在故宫维修中采用过的三维激光扫描技术。”
  激光雷达用于古建筑精密测量与建模,属于测绘科学与技术精密测量领域。利用这一技术,能实现文物保护的数字化档案存储和可视化建模展示,社会效益深远。
  “这个研究成果可以说是应需而生的。”“激光雷达古建筑与代表性建筑精密测量与建模”项目第一人、北京建筑工程学院测绘与城市空间信息学院院长王晏民说,“在工程测量环节遇到了一些新问题,传统的技术方法解决不了,这就要求必须有新的解决方法。”
  传统方法之一是利用钢尺和水准仪量取建筑的平面、立面或剖面的特征点的位置和相应特征线的距离,进而用建筑的设计和现状的几何关系绘出线性特征图;比较先进些的方法主要是运用GPS、全站仪或者是测量机器人等仪器量测来获取特征点和特征线;还有一种方法是采用近景摄影测量的方法,运用摄影测量的原理来获取物方点的三维坐标,从而提取建筑物的线性特征。
  这些方法在实际应用中都各有优缺点。前两种方法运用的工具比较容易获取,但获取的建筑物的立面信息比较少,不能很好的表达古建筑立面、平面、剖面的复杂特征,并且耗费的时间较长。后一种方法的特点是建筑物立面信息获取比较丰富,但该方法需要用专用的量测相机,并且受到现场的客观条件的限制,而且还会出现树木遮挡之类的问题。
  传统的记录古建筑内部大木结构的方法,是用拍照和拉皮尺进行量测和记录。但是一般古建筑的大木结构比较复杂,使用传统方法获得大木结构的实体曲面模型是一件相当困难和耗时的工作。特别是在一些复杂而细微之处更是如此,如——梁和圆柱之间的接口部分。
  而运用三维激光雷达扫描技术,能够在很大程度上轻松解决这些技术难点。
  激光扫描的原理并不复杂——激光扫描仪通过运用激光束从被发射到激光束到达被测物体再被反射回扫描仪的时间差,得到扫描仪到被测物体的距离,再运用连续转动的用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到被测物体的三维坐标。
  “精密的激光扫描三维重构其实有点儿像平面扫描。”王晏民解释说,“当然,使用的设备不一样,这个仪器是转动着把周围的东西都立体地扫瞄到计算机里头,每隔一个设定的单位长度采集一个点,所有的点集合起来就构成了扫描对象的形状。”
  以应用激光雷达技术提取古建筑的线性特征为例(古建筑的线性特征主要包括立面图、平面图和剖面图,均是古建筑维护和重建的重要资料),运用激光雷达技术,能够更精确、更快速、更真实地完成这一任务,而且其数据结构中不仅包含空间信息,还带有纹理信息,制作的各种线性图效率高、精度好、真实性强,在古建筑物的保护和重建工作中具有很高的应用价值。
  简单来讲,就是在运用激光扫描仪对古建筑物进行扫描后,获取古建筑物表面的高清晰三维激光点云数据,然后利用三维点云数据和相应的建模软件制作出三角网模型和Nurbs模型,最后利用这两种模型来提取古建筑的线性特征。用三角网模型制作立面图;用三角网模型和Nurbs模型来制作平面图和剖面图。
  这种方法,与以往制作古建筑各种线性特征图的方法相比有很多优点。
  首先,激光扫描仪较之其他测绘仪器有巨大优势。扫描仪体积小,采集数据的速度快,每秒最多可达到50万个点;扫描数据精度高,可达到0.01-5mm;同时雷达扫描不仅能够得到空间信息,还能得到灰度信息和真彩色纹理,这些都提高了线性特征提取的精度。
  其次,利用激光雷达技术提取古建筑的线性特征所运用的是逆向工程的理论。现有的建筑测绘是应用常用的测绘仪器(如测量机器人、全站仪等)正向地提取现有建筑物的特征点,然后画出建筑物的线性特征;而激光雷达扫描技术是通过非接触式扫描来快速、高密度、高精度地获取建筑物表面的三维数据,然后运用点云模型来建立建筑物的实体模型,是在得到建筑物整体模型的前提下来描绘或者剖取建筑物的线性特征,与其它方法相比是逆向的过程。
  最后,激光雷达数据获取了建筑物表面每一点的三维坐标,所以提取的线性特征上的每一点也具有真实的三维坐标,这是目前现有的所有方法所不能相比的。应用三维点云数据,就可以提取任意想要的任何线性特征,在保证高精度的同时大大提高了效率。可以出任意比例的二维图,也可以在图上量取任何想要得到的信息。
  这些特性使得三维激光扫描技术在古建筑的维护和重建方面拥有了宽广的应用前景。比如,定期对重点建筑物进行定期观测,可以研究古建筑物的变形情况;运用贴好纹理的模型制作虚拟建筑群,让普通人足不出户就可以进入虚拟空间游览著名古建筑……
  事实上,三维激光扫描测量与建模技术已经先后应用于多个古建筑维护和重建项目。2008年四川汶川地震后对觉苑寺的灾后灾害评估;对内蒙古呼和浩特大昭寺馆藏壁画、广西花山岩画、山西飞虹塔、西藏白居寺进行的扫描测量和建模……
  这一技术,正逐步在各项文物保护修复工程中显露身手。

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