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                                北京——激光雷達古建筑與代表性建筑精密測量與建模
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   激光雷達數據獲取了建筑物表面每一點的三維坐標,所以提取的線性特征上的每一點也具有真實的三 維坐標,這是目前現有的所有方法所不能相比的。應用三維點云數據,就可以提取任意想要的任何線性特 征,在保證高精度的同時大大提高了效率。可以出任意比例的二維圖,也可以在圖上量取任何想要得到的 信息。
  這些特性使得三維激光掃描技術在古建筑的維護和重建方面擁有了寬廣的應用前景。比如,定期對重 點建筑物進行定期觀測,可以研究古建筑物的變形情況;運用貼好紋理的模型制作虛擬建筑群,讓普通人 足不出戶就可以進入虛擬空間游覽著名古建筑……
  事實上,三維激光掃描測量與建模技術已經先后應用于多個古建筑維護和重建項目。2008年四川汶川 地震后對覺苑寺的災后災害評估;對內蒙古呼和浩特大昭寺館藏壁畫、廣西花山巖畫、山西飛虹塔、西藏 白居寺進行的掃描測量和建模……
  “故宮里到處是歷史,故宮的大修也是歷史。”
  2003年開始的故宮大修,是一個將歷時17年、修繕和建設項目達數百項的龐大工程。在這一過程中, 激光雷達技術被應用于古建筑數字化保護。
  “羅哲文先生多次強調:文物的價值在于它的存在,如果它不存在了,所有的價值就都沒了。想辦法 讓它存在下去,是我們的責任。”原故宮博物院副院長晉宏逵說,“在有效、無害的原則下,現代技術在 解讀、記錄和保護古建筑上有其特殊的優勢。現代技術可以完成一些傳統技術無法完成的工作,并提高效 率。比如在故宮維修中采用過的三維激光掃描技術。”
  激光雷達用于古建筑精密測量與建模,屬于測繪科學與技術精密測量領域。利用這一技術,能實現文 物保護的數字化檔案存儲和可視化建模展示,社會效益深遠。
  “這個研究成果可以說是應需而生的。”“激光雷達古建筑與代表性建筑精密測量與建模”項目第一 人、北京建筑工程學院測繪與城市空間信息學院院長王晏民說,“在工程測量環節遇到了一些新問題,傳 統的技術方法解決不了,這就要求必須有新的解決方法。”
  傳統方法之一是利用鋼尺和水準儀量取建筑的平面、立面或剖面的特征點的位置和相應特征線的距離 ,進而用建筑的設計和現狀的幾何關系繪出線性特征圖;比較先進些的方法主要是運用GPS、全站儀或者是 測量機器人等儀器量測來獲取特征點和特征線;還有一種方法是采用近景攝影測量的方法,運用攝影測量 的原理來獲取物方點的三維坐標,從而提取建筑物的線性特征。
  這些方法在實際應用中都各有優缺點。前兩種方法運用的工具比較容易獲取,但獲取的建筑物的立面 信息比較少,不能很好的表達古建筑立面、平面、剖面的復雜特征,并且耗費的時間較長。后一種方法的 特點是建筑物立面信息獲取比較豐富,但該方法需要用專用的量測相機,并且受到現場的客觀條件的限制 ,而且還會出現樹木遮擋之類的問題。
  傳統的記錄古建筑內部大木結構的方法,是用拍照和拉皮尺進行量測和記錄。但是一般古建筑的大木 結構比較復雜,使用傳統方法獲得大木結構的實體曲面模型是一件相當困難和耗時的工作。特別是在一些 復雜而細微之處更是如此,如——梁和圓柱之間的接口部分。
  而運用三維激光雷達掃描技術,能夠在很大程度上輕松解決這些技術難點。
  激光掃描的原理并不復雜——激光掃描儀通過運用激光束從被發射到激光束到達被測物體再被反射回 掃描儀的時間差,得到掃描儀到被測物體的距離,再運用連續轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得 到被測物體的三維坐標。
  “精密的激光掃描三維重構其實有點兒像平面掃描。”王晏民解釋說,“當然,使用的設備不一樣, 這個儀器是轉動著把周圍的東西都立體地掃瞄到計算機里頭,每隔一個設定的單位長度采集一個點,所有 的點集合起來就構成了掃描對象的形狀。”
  以應用激光雷達技術提取古建筑的線性特征為例(古建筑的線性特征主要包括立面圖、平面圖和剖面 圖,均是古建筑維護和重建的重要資料),運用激光雷達技術,能夠更精確、更快速、更真實地完成這一 任務,而且其數據結構中不僅包含空間信息,還帶有紋理信息,制作的各種線性圖效率高、精度好、真實 性強,在古建筑物的保護和重建工作中具有很高的應用價值。
  簡單來講,就是在運用激光掃描儀對古建筑物進行掃描后,獲取古建筑物表面的高清晰三維激光點云 數據,然后利用三維點云數據和相應的建模軟件制作出三角網模型和Nurbs模型,最后利用這兩種模型來提 取古建筑的線性特征。用三角網模型制作立面圖;用三角網模型和Nurbs模型來制作平面圖和剖面圖。
  這種方法,與以往制作古建筑各種線性特征圖的方法相比有很多優點。
  首先,激光掃描儀較之其他測繪儀器有巨大優勢。掃描儀體積小,采集數據的速度快,每秒最多可達 到50萬個點;掃描數據精度高,可達到0.01-5mm;同時雷達掃描不僅能夠得到空間信息,還能得到灰度信 息和真彩色紋理,這些都提高了線性特征提取的精度。
  其次,利用激光雷達技術提取古建筑的線性特征所運用的是逆向工程的理論。現有的建筑測繪是應用 常用的測繪儀器(如測量機器人、全站儀等)正向地提取現有建筑物的特征點,然后畫出建筑物的線性特 征;而激光雷達掃描技術是通過非接觸式掃描來快速、高密度、高精度地獲取建筑物表面的三維數據,然 后運用點云模型來建立建筑物的實體模型,是在得到建筑物整體模型的前提下來描繪或者剖取建筑物的線 性特征,與其它方法相比是逆向的過程。
 
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