基于三维的古建筑精细化管理研究

张辉

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

基于三维的古建筑精细化管理研究

张辉*

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

对古建筑的保护一直是近些年来研究者们关注的课题，传统的二维平面图无法精细管理至构件，三维模型能够从空间上立体展示古建筑的结构，为古建筑的保护与管理提供技术支撑。本文以故宫斋宫为例，利用三维激光扫描的方法进行精细建模，结合古建保护业务，对三维模型数据中每个构件及其检查项进行编码，能够在古建筑的检查中做到不丢漏，为后期制定防护保养措施提供依据。本文为三维模型数据在古建保护中的应用提供了新的思路。

古建筑精细化管理；模型组织编码；点云；三维虚拟场景

1 引 言

古建筑反映了中国古代的辉煌，承载了中国古代文化艺术的巨大成就，对古建筑进行保护既是对中华文明的保护，也可增强民族自豪感。故宫拥有17万平方米的古建筑群，是目前世界上规模最大、保存最完整的木结构宫殿建筑群。如何对如此复杂的古建筑群进行更有效的保护一直是文物保护人员长期探索的课题。传统的古建筑保护使用二维平面图进行表示，此种方法虽能为古建的修缮、保护提供一些依据，但是在表达古建筑方面不够直观，许多在空间上存在的构件无法表达，例如屋顶上的角兽和屋檐下的椽子等构件，在平面图上投影位置重叠，无法用二维平面图直观表示，而故宫古建筑的管理需要精细到每个构件，构件的健康状况评估对古建筑的健康状况至关重要。因此，传统的二维平面图已无法满足古建筑的精细化管理要求，需要用三维立体的方式展示古建筑，为古建筑的管理、修缮等提供技术保障。

古建筑的结构非常复杂，需要检查的内容非常烦琐，因此在模型的制作及对古建筑保护的应用中都需要进行创新。传统的基于数字线划图获取地物平面位置、通过外业拍照获取地物纹理信息的方法很难建造古建筑的三维结构，且人工参与的工作量大，给三维建模带来困难。三维激光扫描技术能够准确获取古建表面信息，提供空间依据，解决传统方法建模缺少空间信息的困难。故宫的古建筑保存年代久远，为了更好地评估古建筑的健康状况，及时发现出现的问题，故宫会定期对古建筑做普查。本文以故宫斋宫为例，使用了三维激光扫描的方法进行古建筑的三维建模。由于古建筑的普查工作需精细到每个构件，三维模型数据的组织及编码也是本课题的研究重点。传统的古建筑普查，对发现的病害使用文字描述的方法，这种方法一方面不能够形成统一的描述，为后期的统计分析造成不便，另一方面，仅对发生的病害进行记录，不能保证对所有的病害全部进行了检查，容易造成丢漏。本文对古建筑构件及检查项的编码组织进行了详细探讨。

2 三维技术应用

随着三维可视化技术的发展，三维数据越来越多地应用于文物保护、工业设计、数字城市、遗产保护等各方面。由于三维模型数据的直观性，使得其相对于二维数据有更精细、广泛的应用。本章从以下几个方面对三维模型数据的应用给出了具体的应用实例。

2.1文物保护

人类文明发展数千年的历史，留下了很多宝贵的自然、文化遗产，然而随着时间的流逝，这些文物都在遭受自然或人为的破坏，如何对文物进行保护修复一直是研究者们关注的课题。三维建模技术的发展给文物保护工作带来了新的技术支撑，如周立等应用三维激光扫描技术辅助古建筑修缮测绘[1]，斯坦福大学的M. Levoy[2]的研究小组对米开朗基罗的一些大型雕塑做的激光扫描，在课题中涉及了多视点数据配准、海量三角网数据绘制等多种研究内容。朱凌[3]等使用三维激光扫描技术对古建筑构件进行采集，并使用面向对象的古建筑构件组合的方法进行三维模型数据的制作，并将其应用于太和殿第六间三维模型的制作。

2.2数字城市

三维模型数据以其直观、可量测的优势在数字城市建设中发挥了巨大的作用。数字城市的三维建模有基于地形图和外业拍摄纹理照片进行制作的[4]，有基于激光雷达技术进行制作[5]，还有的基于倾斜摄影技术进行制作[6]。利用这些技术都可生成城市级的三维模型数据，为后期的规划、安防、应急等应用打下基础。

2.3工业遗产保护

工业遗产的保护是后工业时代研究者们关注的课题，使用三维建模技术可以将工业厂区完整地保存于虚拟场景中，为工业遗产的保护、开发与再利用提供技术保障。工业厂区错综复杂，使用三维激光扫描技术能够建造厂区的管道等工业设施[7]，节省人工参与的工作量。

总之，三维建模技术使得传统的测绘得以由二维向三维转变，三维数据能够提供更丰富的信息，能够解决很多二维无法解决的问题。本课题是将三维数据应用于古建筑精细化管理与保护，进行研究与探讨。

3 三维模型制作

本课题使用三维激光扫描的方法对故宫斋宫进行三维模型制作，采用的工艺流程如图1所示，首先准备建模区域的地形图数据，在实地扫描前进行仪器架设点的选取。其次，使用三维激光扫描仪采集建筑物点云信息。获取点云信息后，首先对点云数据进行预处理，对多站扫描的数据进行拼接并去除周边的冗余点，仅保留建筑相关的点云；对于常规曲面和平面，直接从点云数据中提取建筑物结构线框，作为三维建模的基础数据，将线框导入3ds Max中进行建模；对于吻兽、角兽等复杂结构，直接使用点云数据进行三维模型的生成，而后在3ds Max中对冗余面进行处理；将两部分三维模型数据拼接在一起，即可形成最终的三维模型结构数据。对外业采集的纹理照片进行匀色、纠正、调整色彩等操作后，对建筑物模型进行纹理贴赋。最后，将三维模型数据进行模型烘焙、格式转换和场景合成，即可得到完整的斋宫三维模型。

3.1数据采集

本课题使用PENTAX-S3180V扫描仪进行激光扫描，设备参数如表1所示。斋宫外立面如图2所示。扫描获得的部分三维激光点云数据如图3所示。

PENTAX-S3180V激光扫描仪的技术指标 表1

图1 基于激光点云数据的三维模型制作工艺流程图

图2 斋宫外立面

图3 斋宫外立面三维激光点云数据

3.2点云拼接

由于斋宫结构较为复杂，所以点云数据是进行多站采集获得，扫描的每站数据都位于扫描仪自身的坐标系下(Scanner’s Own Coordinate System，简称SOCS)，因此需要对不同视点获取的数据进行配准，将其统一至工程坐标系中(Project Coordinate System，简称PRCS。

假设SOCS坐标系下的点坐标为(x，y，z)，使用齐次坐标表示即为(x，y，z，1)，PRCS坐标系中的点云齐次坐标为(x′，y′，z′，1)，模型拼接软件中即是利用以下公式将扫描仪坐标系下的点云数据转化到工程坐标系中。

(1)

多次扫描的点云数据必须有足够的重叠才能拼接，即在上式中包含足够数量的(x，y，z，1)和(x′，y′，z′，1)点对，这样通过求解线性方程即可求得变换矩阵，将不同站扫描的数据进行配准。

3.3模型制作

由于古建筑结构的复杂性，根据模型部分的复杂程度，本文在进行斋宫三维模型构建时将整栋建筑分为瓦顶(包含梁架结构)、墙面和复杂构件三个部分，针对不同的区域使用不同的方法进行三维建模。

(1)瓦顶模型制作

瓦顶外部在整个古建筑中属于形状比较规则的部分，如果直接全部使用点云生成三角网格，会增大整个模型的数据量；若用手工的方法描绘特征线，由于瓦顶曲面较多，会导致人工参与的工作量巨大，容易出错，本课题中采用等高线提取的方法提取瓦顶的特征线。

首先将瓦顶的点云数据进行三角化并对三角化后的数据进行平滑处理，如图4(a)所示。利用Riscan软件中的等高线生成功能，自动生成等高线，如图4(b)所示。同理，可生成纵向的等高线，结合瓦顶横向和纵向的等高线，导出DXF在CAD中处理后，得到完整的瓦顶特征线，如图5所示。

图4三角网及等高线

图5 瓦顶特征线

房屋顶部的梁架结构的点云数据如图6所示，由于梁架结构遮挡比较严重，直接使用软件提取特征线不够完整。本课题中使用Polyworks进行自动化特征线提取，再配合人工的方法进行特征线描绘，形成完整的梁架结构特征线。使用拍摄的纹理照片对梁架贴赋纹理，即可得到完整的梁架模型。

图6 梁架内部点云数据

(2)墙面特征线提取

墙面的形状非常规则，不需要用过多的三角面表达，因此本课题使用手工描绘的方法提取墙面的特征线。直接在墙的原始点云数据上描绘多段线，即可得到墙面的特征线数据，如图7所示。将墙面的特征线和瓦顶的特征线在CAD中合成整体，如图8所示，之后导入到3ds Max软件中进行纹理贴图即可。

图7 墙面特征线提取

图8 建筑物特征线

(3)吻兽等复杂结构三角网生成

古建中有很多复杂的结构，如吻兽、角兽等，这些结构无法简单地使用特征线的方法进行特征提取，本课题中利用Geomagic软件将吻兽等复杂结构的点云数据直接生成三角网，而后导入到3ds Max软件中进行纹理贴图。吻兽的三角网模型如图9所示。

图9 吻兽三角网模型

4 三维模型组织

本课题中三维模型数据建设的目的是用于古建筑的日常保护，此项工作涉及古建筑的各个方面，从古建筑的整体健康状况到一个构件的健康程度都是古建保护关注的内容。因此，建成的三维需按照古建筑保护的工作内容进行组织和编码。

本课题将古建筑的柱、梁、斗拱、飞椽、椽子、檩条、额枋、望板等构件按照以下方式进行编码，即建筑物编码+构件类别码+构件序号码。其中建筑物沿用故宫已有的编码，构件类别码如下表所示，不同建筑物的同一类构件类别码相同，构件序号码为构件在建筑物中所占的序号。

构件类别编码示例 表2

此外，古建筑之前的普查工作仅对发现的病害进行记录，有可能会丢漏一些检查内容。为了解决可能出现的丢漏问题，本课题创新性地将体检的概念应用于古建筑的普查工作，对每一个构件设置了检查项，对可能发生的病害进行了编码，如柱子可能出现的病害为歪闪、糟朽、开裂、虫蛀、油饰残损等，编码方式如下表所示。在古建筑的普查工作中，能够对每个构件的每一类病害进行检查，防止丢漏，能够对古建筑进行管理。此外，检查项的编码使得原来的文字描述变成数字化方法描述，可以方便地对各类病害及区域进行统计，以便做出适当的防护及修整措施。

检查项编码示例 表3

5 应用效果

5.1三维模型效果展示

最终生成的三维模型成果如图10所示，左图为三维模型外立面效果图，右图为梁架结构，每一间的每一个结构均为单独的构件，方便管理应用。

图10 三维模型成果

5.2精细化管理效果展示

三维模型在普查管理中的应用如图11所示，为一缝梁的普查，左图为检查项，外业普查时，按照检查项对此构件进行一一检查，检查完成方可进行提交。

图11 精细化管理效果

6 结 语

三维虚拟场景为古建筑保护提供了新的思路，三维激光扫描技术使得古建筑的三维建模得到了大大的简化。本课题中将三维模型应用于古建筑保护中，使得古建筑的保护能够精细化，本文有以下创新：

(1)将古建筑的每个构件及检查项进行编码管理

古建筑的健康状况涉及每一个构件的健康，因此精细化管理需精确到每个构件。本课题将古建筑的每个构件及构件的检查项进行了编码管理，使得在普查工作中，能够无丢漏地完成每一项检查。方便后期对病害类别做分析，制定相应的维修及保养措施。

(2)形成了针对古建的三维建模技术流程

古建的复杂性使得传统的基于地形图或倾斜摄影的三维建模的方法不再适用，本项目采用了基于激光点云的数据进行三维建模，该方法具有实际可操作性，为古建的三维建模提供了完整的解决方案，可推广至其他古建的三维建模。

在实际应用中，本文还有一些待改进的地方。中国的古建大都是对称结构且由小的构件组成，因此在后续有关古建三维建模的课题开展时，可尝试使用三维构件库的方法进行古建筑的三维建模，通过构建三维古建筑符号库，从而搭建出完整的三维模型。同激光扫描的方法配合使用，不仅能够保证三维模型的进度，还能够节约三维模型的制作时间。

总之，三维模型的应用使得古建筑能够做到精细化管理，三维激光扫描技术为古建筑三维建模应用提供了一种有效的解决方案。本文中三维模型技术应用于古建筑保护，为后期其他古建筑保护提供了参考，可以在其他古建筑保护项目中加以推广应用。

[1] 周立，李明，毛晨佳等. 三维激光扫描技术在古建筑修缮测绘中的应用[J]. 上海建设科技，2011(4)：47～50.

[2] M. Levoy，K Pulli，B Curless，etc. The Digital Michelangelo Project：3D scanning of large statues[C]. Siggraph，2000：131～144.

[3] 朱凌，周克勤，李小爽. 基于现代测绘技术的古建筑测绘方法研究[J]. 山西建筑，2007，33(14)：356～357.

[4] 文雪中，潘建平，付飞飞. 三维建模技术在数字城市中的应用[J]. 科技资讯，2010(2)：220～221.

[5] 李艳玲，杜殿斌，刘丽茹. 激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用[J]. 测绘，2010，33(1)：42～44.

[6] 孙宏伟. 基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J]. 现代测绘，2014(1)：18～21.

[7] 张辉，刘增良. 车载三维激光扫描技术在首钢工业遗产保护中的应用探讨[C]. 全国工程测量2012技术研讨交流会论文集，2012：92～94.

ResearchonDelicacyManagementofAncientArchitecturesBasedon3DTechnology

Zhang Hui

(Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China)

The protection of ancient architectures has been an important topic among researchers in recent years. Traditional 2-D maps cannot manage components，while 3D models can display ancient buildings from stereo angle，to provide technical support for the management and protection of ancient architectures. This paper takes ZhaiGong in the Forbidden City as an example，built 3D model using laser scanning method and encoded each structure and inspection item combined with ancient architecture protection，in order to ensure complete inspection of the ancient architectures. This provides basis for the following measures of protective maintenance. This paper provides a new idea for the application of 3D model data in the protection of ancient architectures.

delicacy management of ancient architectures；model organization and coding；point cloud；3D virtual scene

1672-8262(2017)05-70-05

P234

A

2017—07—06

张辉(1985—)，女，工程师，研究方向：三维地理信息应用。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文三等奖。