基于点云与参数模型的古建筑大木结构正逆向建模

发布时间：2020-05-03 14:41

【摘要】：中国古建筑大木结构蕴含着深厚的文化底蕴,深藏着劳动人民的智慧,然而随着时间的流逝、自然灾害和经济开发的影响,现存的古建筑出现了不同程度的残损甚至毁灭,采取有效的手段进行保护利用十分重要。以往我国古建筑数据的存档方式主要是照片、文字、表格等,信息承载量少,不易保存,古建筑数字化技术的应用以及三维模型的建立为古建筑数据存档提供了一个新思路。应用于古建筑大木结构构件建模常用的方式是利用三维激光技术获取点云数据进行逆向建模和利用尺寸参数进行正向建模两种方式,然而由于激光特性以及古建筑结构特点,构件之间互相遮挡将出现无法避免的扫描漏洞,而利用尺寸参数进行正向建模,虽然可以得到完整模型,但是却缺少古建筑大木结构构件表面的现实形态,两种方法虽都可以得到古建筑大木结构构件模型,然而作为古建筑后续的保护、修缮、重建以及监测的基础资料,需要求其完整且具有现实形态,现阶段的研究无法满足这一需求,为了得到完整且具有现实形态的古建筑构件模型,本文在分析古建筑大木结构的结构特点以及构件构成特点的基础上,分析对比利用尺寸参数进行正向建模和利用三维激光技术点云数据逆向建模的两种建模方法的建模流程以及建模效果,提出一种正逆向结合的建模技术,主要研究内容和成果如下:1.对古建筑大木结构构成特点及正逆向建模方法的基础研究。通过阅读古籍总结古建筑的组成体系特点、模数制特点以及构件的构成特点,并将其整理成表格,以作为后续的尺寸参数正向建模的数据参考,同时研究分析应用于古建筑构件模型建立的两类常用建模方法,即研究利用尺寸参数正向建模和利用三维激光技术点云数据逆向建模的原理以及工作流程,并分析应用于古建筑大木结构的两种建模方法的优缺点。2.进行古建筑大木结构正逆向模型配准。将通过两种建模方法得到的模型数据进行格式统一后,利用模型数据的切片技术、圆和多边形轮廓和中心点坐标以及中轴的最小二乘法拟合求解得到古建筑几何位置特征,最后利用古建筑几何位置特征的三点定位法进行初始配准和ICP算法的精确配准,良好的精度为后续的网格变形技术提供保证。3.提出一种基于拉普拉斯坐标网格变形的古建筑大木结构完整且具有现实形态的构件模型构建的正逆向建模方法。先应用激光扫描点云数据逆向建模得到现实构件模型,再利用古籍得到的标准尺寸参数正向设计得到标准构件模型;以现实构件模型作为目标模型,进行模型配准后,利用以轮廓点作为变形的约束点的基于拉普拉斯坐标的网格变形算法对标准构件模型进行变形后,得到完整且具有现实形态的构件模型。4.古建筑大木结构变形检测分析。通过对比变形后的标准构件模型与原始的标准构件模型,进行古建筑大木结构构件变形检测分析,其中使用法向偏差的量化古建筑表面形变量、使用柱脚柱头偏移量表示柱子的歪闪程度来综合分析预测古建筑结构的安全性。5.利用中和殿的大木结构部分构件作为试验数据,使用不同构件数据应用技术路线以及算法,分析其可行性与正确性,最终可得到完整且具有现实形态的构件模型,并利用OpenGL、Qt设计实现三维可视化系统显示结果并验证了技术路线的可行性。利用此技术路线获得完整且具有现实形态的大木结构构件模型具有数据量小,易于存储,可实现轻量浏览的优势,不仅将古建筑构件以三维形态进行数字化保护存档,还可为后续的结构监测以及健康监测提供基础数据,对古建筑遗产在保护应用、学术研究、社会服务方面皆具有现实意义。
【图文】：

第 1 章绪 论研究的背景与意义究背景作为四大文明古国之一，现今留存于世的文化遗产数量仍十分巨大，着深厚的文化底蕴，深藏着劳动人民的智慧。随着时间的流逝、如地震然灾害和经济开发的影响，现存的古建筑出现了不同程度的残损甚至载了一个国家和民族的文化、政治、经济发展进程的痕迹，采取有效用十分重要。所以利用各种技术手段记录留存古建筑的真实历史信息建筑的监测、保护和修复提供详实的依据。大木结构作为中国古建筑，并且构件是组成古建筑主体的基本单位，各个构件组合在一起构成，，应对其进行重点关注。

作为四大文明古国之一，现今留存于世的文化遗产数量仍十分巨大着深厚的文化底蕴，深藏着劳动人民的智慧。随着时间的流逝、如地然灾害和经济开发的影响，现存的古建筑出现了不同程度的残损甚载了一个国家和民族的文化、政治、经济发展进程的痕迹，采取有用十分重要。所以利用各种技术手段记录留存古建筑的真实历史信建筑的监测、保护和修复提供详实的依据。大木结构作为中国古建，并且构件是组成古建筑主体的基本单位，各个构件组合在一起构，应对其进行重点关注。图 1-1 丰富的古建筑资源Figure 1-1 Plentiful Historic Building
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU366.2

【参考文献】

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本文编号：2647678