基于古建筑保护修缮需求的三维激光几何信息采集应用研究

发布时间：2020-08-09 14:59

【摘要】：中国文化悠久的历史给我们留下了丰富的历史建筑资源:截止至2016年,国务院公布的全国重点文物保护单位总计4296处,省级文物保护单位上万处,市、县级保护单位及未列入各级文物保护单位的不可移动文物数十万处。同时,中国文物建筑分散极广,遍布全国多个省市。文物建筑点多面广带来的问题是中国古建筑的资料存档、保护修缮工作量需求极大;但我国的文物保护专业人员数量却明显偏少~([1]),队伍整体水平也偏低。并且,以木质材料为主的中国古建筑,其材料特质和特性决定了其保存难度大,保存时间短。木材易腐易燃,一旦发生自然因素破坏或人为因素损毁~([2]),其研究领域与文化领域的价值损失不可估量,且永不可逆。而现阶段想要降低损失的危害和风险,就必须做好文物建筑的资料保存工作和测绘工作。传统古建筑测量多采用人工现场借助直尺、卷尺等传统工具和全站仪、激光测距仪等测绘工具对古建关键位置进行单点采集测绘,测绘效率低下,人工干预性大。而上世纪九十年代中期开始出现的三维激光扫描技术通过高速激光密集打点进行扫描测量,可以快速、海量采集空间点位信息。同时,其非接触、数字化、自动化的特性也在文物建筑数字化保护的领域具有天然优势。在国际文化遗产保护界已越来越引起关注,并成功运用在不少文物建筑保护工程当中。该技术自引入到中国古建筑测绘领域后,近十年来虽然已进行了大量文物建筑的采集与测绘工作,但由于专业人员缺乏,技术更新换代较快,以及缺乏相应的行业标准,三维激光采集技术一直缺少在整体上能够应用到中国古建筑保护修缮工作中的技术与方法体系,以及与之有关的针对性研究。尤其在中国古建筑扫描测绘工作中,普遍存在着方法不适用、成果不实用的问题。因此,在当前文物建筑数量众多、保护人员严重缺乏的矛盾面前,以古建保护修缮需求为研究目的,对三维激光扫描技术进行适宜方法、流程及应用研究是非常重要且十分必要的。本文从三维激光技术领域中常被滥用和错用的精度研究及布站研究入手,根据中国古建筑保护修缮的测绘及制图标准,以理论研究与实验相结合,实际需求与实践相结合的研究方法,针对以下内容进行了整理及研究:(1)通过原理分析及实地实验,对三维激光采集技术应用于测绘领域中最重要的精度问题进行深入了解,测试影响测量精度的因素及关系,总结提高测绘精度的适宜方法。(2)根据中国古代木构建筑测量及保护修缮制图需求,通过引入传统测量标准,在满足资料保存精度和原真性的基础上,研究系统科学的布站方案,并结合设备性能及特点制定三维古建采集适应精度采集方案。(3)通过设计试验,验证三维数据拼接精度的影响因素,研究点云格式、抽析比率对于拼接精度的影响,及不同主流点云平台自动拼接精度比较,验证整体控制网在三维古建筑采集中的必要性(4)通过试验研究各种不同格式点云数据的存储方式,了解海量数据的存储原理及压缩方式,从大量点云格式中优选出适宜存储格式和压缩方式。并利用置换贴图技术改变传统数据压缩思路,利用降维手段提高数据压缩比,针对海量数据进行有效的优化,使其适用于中国古代建筑,尤其是官式建筑的巨大规模的调用、呈现与研究应用。(5)根据中国古建筑保护修缮刚性需求,总结、归纳现阶段三维扫描数据向AutoCAD矢量工程图转化的多种途径与方法,加强三维扫描技术在古建保护修缮领域的适用性与实用性,解决现阶段海量建筑资料保存需求。在本课题研究开展的过程中,北京工业大学有幸承担了由北京市文物局主导的北京市85处重点文物保护单位,总计1097个单体建筑的的数字化采集与存储项目,为采集数据优化及研究提供了大量宝贵的实践经验和研究样本。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU-87
【图文】：

三维扫描,接触式,设备

正由于其非接触、快速、准确、高效的信息采集能力被大量应用在中国古代建筑的保护修缮领域。1.1.1 三维激光采集技术概述能从现实空间获取三维立体几何信息并捕捉至计算机的技术都是三维扫描技术，而应用在建筑、文化遗产领域的三维激光扫描仪属于三维扫描仪里的一个分支。任何技术的产生都是由需求催生而来，三维扫描仪也不例外，其最早被发明的原动力，是为了解决复杂形体的测量问题。早期的三维扫描仪，大多是接触式的，通过复杂机械臂竿记录的移动、旋转等信息（图 1-1），计算机可以逆运算推出探头接触到物体表面时的空间坐标，这个坐标除了传统的二维平面信息外，还有一个记录深度的 Z 轴信息。正是由于记录了深度信息，使得计算机对于一个现实形体的测量，比传统图纸整整多了一个维度。而机械传导记录的精准性不断在提高，导致三维采集的精度也在不断提高，很快就被利用在了工业制造领域，用于检查最终零件的加工精度。

过扫描,轻量化,扫描仪

北京工业大学工学博士学位论文置，单人进行扫描时较为费力，工作效率低。但法如（FARO）的 Focus3d系列，一下将激光TLS扫描仪的体积缩小了一般，同时重量控制在5kg左右，电池、电源都大幅缩小，并可以安装在摄影三脚架上进行扫描，大大降低了单人操作的负重，提高了换站效率与便利性（对比如图 1-2）。同时，由于成本降低，这台 TLS 站式扫描仪的售价还不到传统 TLS 扫描仪的一半，大大增加了产品的普及率。虽然在精度上，Focus3d 系列做不到很高，但在不少场合也足够使用。

流程图,三维数字化,流程

图 1-3 现阶段三维数字化采集应用主要流程Fig. 1-3 General Workflow Of 3d Acquisition & Application On Historical Architectures根据现阶段保护修缮研究需求及三维激光采集应用流程分析，本文着重研究的内容有：(1) 针对中国古代建筑的三维激光采集适宜精度研究传统的三维扫描采集从仪器选择到站位布设、方案选择直到最终的数据处理，大多参考甚至照搬西方建筑遗产扫描流程与方案，或根据扫描仪硬件生产设备商的培训机械式学习实施，缺乏针对中国特定建筑结构、材质的专门研究，尤其在大尺度、院落级中国古建筑的三维采集中缺乏相应的标准及适用性研究。在本文第二章中，将从三维激光本身精度、与 GPS 大地坐标相对接的控制网布设、三维激光扫描布站优化分析及三维激光扫描仪的仪器适宜选择这几个方向针对三维激光采集标准入研究：首先，通过真实建筑构件或等比例中国古建筑模型设计具有针对性目的性的19

【参考文献】