文博古建三維數字化解決方案
編輯：2022-11-28 15:19:58
文博古建是指文物(wù)、博物(wù)館、古建築等，是中(zhōng)華民族珍貴的曆史文化遺産；對文博古建進行三維數字化是文博古建保護的重要組成部分(fēn)。
Ⅰ. 古建築保護背景簡介
随着我(wǒ)(wǒ)國對建築遺産保護工(gōng)作的重視程度逐步增加，對古建築保護修繕技術的要求也随之提升。古建築信息采集作爲古建築保護的基礎性工(gōng)作具有深遠的意義。近年來，古建築保護正向着以數字化安全監測爲代表的研究性、預防性保護方向發展，這就給古建築信息的采集、處理、存儲和傳輸以及可視化等多方面提出了更高的要求。
三維激光掃描技術能夠直接快速地獲取實體(tǐ)表面信息。與傳統信息獲取技術相比，它具有非接觸式工(gōng)作、受外(wài)界因素幹擾小(xiǎo)、掃描速度快、******度高、兼容性高等各種優點。将三維激光掃描技術引入古建築的數字化保護中(zhōng)，能夠爲古建築的保護修繕工(gōng)作提供高精度、完整的空間數據信息。
在古建築修繕領域，數字虛拟技術的應用日益普及，以點雲數據爲基礎的數字建模爲古建築的勘查保護、虛拟修複和再現展示提供了完善的數據信息。利用三維激光掃描得到的點雲數據，首先進行古建築及周邊環境的場景塑造，建立古建築虛拟修複系統，對殘損和病害的部分(fēn)進行虛拟修複，爲古建築保護修繕方案的拟定提供數據支撐。還可以建立古建築彩繪、壁畫的色彩和圖像的數據信息系統，通過古建築彩繪和壁畫修複軟件以及古建築彩繪和壁畫配色軟件的使用，對古建築彩繪和壁畫******虛拟修複。
故宮-北(běi)院區禦窯廠
Ⅱ. 曆史文化名村(cūn)名鎮及傳統村(cūn)落保護背景簡介
曆史文化名鎮名村(cūn)是中(zhōng)華民族寶貴的文化資(zī)源和精神财富，加強曆史文化名鎮名村(cūn)的保護和利用，對于研究我(wǒ)(wǒ)國不同地域曆史村(cūn)鎮的傳統風貌和建築藝術，傳承******文化，增強人民群衆的民族文化認同感和自豪感，塑造村(cūn)鎮特色，促進村(cūn)鎮和諧發展具有重要意義。
傳統村(cūn)落是指村(cūn)落形成較早，擁有較豐富的傳統資(zī)源，具有一(yī)定曆史、文化、科學、藝術、社會、經濟價值，應予以保護的村(cūn)落。我(wǒ)(wǒ)國傳統文化的根基在農村(cūn)，傳統村(cūn)落保留着豐富多彩的文化遺産，是承載和體(tǐ)現中(zhōng)華民族傳統文明的重要載體(tǐ)。
開(kāi)展曆史文化名鎮名村(cūn)和傳統村(cūn)落測繪，是推動曆史文化名鎮名村(cūn)和傳統村(cūn)落保護的重要手段，有利于進一(yī)步梳理曆史文化資(zī)源，形成重要的******手資(zī)料，爲開(kāi)展保護利用和活态傳承打好基礎。
晉建村(cūn)函〔2022〕1178 号《山西省住房和城鄉建設廳關于開(kāi)展曆史文化名鎮名村(cūn)和傳統村(cūn)落測繪試點的通知(zhī)》
根據通知(zhī)要求，在晉城和平遙、平定國家試點以及介休等 5 個省級試點，選擇 10 個村(cūn)（鎮）開(kāi)展曆史文化名鎮名村(cūn)和傳統村(cūn)落測繪試點，形成測繪成果，編制測繪圖集。
按照******測繪、典型測繪、簡略測繪等三種類型相結合的方式進行，完成總平面圖、平面、立面、剖面、典型構件測繪，選擇應用新測繪技術，形成總平面現狀測繪圖、平面現狀測繪圖、立面現狀測繪圖、剖面現狀測繪圖、典型構件大(dà)樣圖和傳統建築檔案表。
Ⅲ. 智慧文博背景簡介
随着國家政策鼓勵博物(wù)館将館藏資(zī)源進行融合性的發展，提倡博物(wù)館将數字技術作爲文博事業發展的重要引擎。在發展博物(wù)館文物(wù)保護與利用的同時，使其進一(yī)步滿足人民對文博文化的需求，并盡力使其能夠持續在公共文化服務中(zhōng)發揮基礎性、關鍵性的作用。
利用計算機圖形學技術構建的數字化展覽館，是一(yī)種三維互動體(tǐ)驗方式。它無需投入巨資(zī)建立真實場館。雲展廳，是一(yī)個集視聽(tīng)影音、線上學習、資(zī)料查閱、交互體(tǐ)驗于一(yī)體(tǐ)的綜合展覽，作爲一(yī)個雲端的學習參觀平台，它打破時間與空間的限制，采用******的三維建模技術，實現虛拟展館的三維可視化，實現自動、手動漫遊。
博物(wù)館館藏文物(wù)具有重要的研究價值和觀賞價值，是一(yī)個國家科學和文化的曆史沉澱，也是一(yī)個國家精神價值的直接體(tǐ)現。由于博物(wù)館館藏文物(wù)具有珍貴、精緻的特點，在館藏文物(wù)三維數字化保護過程中(zhōng)，對館藏文物(wù)的紋理信息采集記錄、數據分(fēn)析應用尤爲重要。在精細、繁多的數據面前，傳統的數據記載方式在效率和精度上都很難滿足館藏文物(wù)對數據的需求。與傳統的測量技術相比，三維掃描技術更加快速、有效，自動獲取得到的數據誤差值更低，且非接觸式的數據獲取方式有效減少了人爲因素對館藏文物(wù)的損壞。
将三維數字化技術應用在文物(wù)保護工(gōng)作中(zhōng)，能夠作爲真實文物(wù)的副本保存，爲文物(wù)保護研究建立完整、準确的數字檔案。通過數字記錄的方法爲文物(wù)保護提供了檢測和修複依據，并在已知(zhī)數據的基礎上重建已經不存在的或者被毀壞的曆史遺迹，對流落到國外(wài)的文物(wù)進行數字複原，數據回歸祖國。
此外(wài)，随着互聯網技術的發展，“互聯網+”與三維數據的應用，爲文物(wù)的信息儲存和展示形式提供了新方式。充分(fēn)利用人工(gōng)智能、VR技術等，以數據推動文物(wù)的數字化保護、多樣化展示及博物(wù)館業務管理的轉型和升級。
Ⅰ. 三維激光掃描技術
三維激光掃描技術是近年來出現的新技術，在國内越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物(wù)體(tǐ)表面大(dà)量的密集的點的三維坐标、反射率和紋理等信息，可快速複建出被測目标的三維模型及線、面、體(tǐ)等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大(dà)量獲取目标對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱爲從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。
三維激光掃描系統包含數據采集的硬件部分(fēn)和數據處理的軟件部分(fēn)。按照載體(tǐ)的不同，三維激光掃描系統又(yòu)可分(fēn)爲機載、車(chē)載、地面和手持型幾類。應用掃描技術來測量古建築的尺寸及形狀等原理來工(gōng)作。主要應用于逆向工(gōng)程，負責曲面抄數，古建築結構和部件的三維測量，針對現有三維實物(wù)（樣品或模型）在沒有技術文檔的情況下(xià)，可快速測得物(wù)體(tǐ)的輪廓集合數據，并加以建構，編輯，修改生(shēng)成通用輸出格式的曲面數字化模型。
Ⅱ. 近景/貼近攝影測量技術
近景攝影測量是利用對近距離(lí) (一(yī)般在100米以内)非地形目标拍攝的圖像,測定被攝目标幾何特性的技術。數字近景攝影視覺測量是建立在數字成像、圖像處理與識别以及精密測量原理基礎上的新型工(gōng)業現場三維精密測量技術；
貼近攝影測量是一(yī)種面向目标對象的攝影測量，利用目标的粗略模型生(shēng)成精細拍攝的三維航迹，近距離(lí)貼近目标或者物(wù)體(tǐ)表面進行面向對象的飛行及攝影，加以适當角度的補拍，從而獲取覆蓋對象的毫米級分(fēn)辨率影像，并通過攝影測量軟件處理生(shēng)成精細化三維重建。
貼近攝影測量之所以被稱爲介于二維對地正射攝影、三維傾斜攝影之外(wài)的第三種攝影測量方式，是因爲貼近攝影測量是針對三維空間任意坡度、坡向的面進行攝影，而非對地觀測，這是他們之間存在的根本差别。
Ⅲ. 傾斜攝影測量技術
傾斜攝影技術是通過從一(yī)個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建築物(wù)頂面及側視的高分(fēn)辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物(wù)情況，高精度地獲取物(wù)方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生(shēng)成真實的三維模型；
Ⅳ. 數據采集方式
Ⅴ. 邏輯架構及生(shēng)産流程
Ⅰ. 點雲數據在文博古建數字化中(zhōng)的應用
點雲數據是三維激光掃描後得到的數據成果，點雲數據是包含點的三維坐标及顔色屬性的點集合，可以進行距離(lí) 、角度、體(tǐ)積、面積等各種測量工(gōng)作。
在三維激光掃描工(gōng)作結束後，首先要對點雲數據進行處理，爲後續的應用打好工(gōng)作基礎，包括點雲坐标确立、去(qù)噪和濾波、數據拼接及點雲封裝等工(gōng)作。基于點雲數據的建模主要有多邊形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及複合建模四種方式。
現狀正射點雲圖直接來源于掃描的點雲數據，包含了建築完整的幾何信息，内部結構及周邊的環境信息，無需數 據轉換，非常适合古建築現狀的圖紙(zhǐ)記錄。通過導入工(gōng)程制圖軟件平台，還可以對點雲數據進行标注及測量。
在以點雲數據爲基礎所建立的三維空間模型中(zhōng)，可以采用多視角、動态交互的浏覽方式，任意選擇觀察的位置以及視線的方向，随時進行剖切浏覽，擺脫了以往利用二維圖紙(zhǐ)進行解讀信息的局限性，對建築的内部結構特征也能很準确地解讀。在高精度掃描的數據中(zhōng)，對建築細部、建築色彩信息也能更直觀地進行記錄浏覽。
三維掃描得到的點雲數據可以用來分(fēn)析建築本體(tǐ)形變、建築牆面及地面的整體(tǐ)平整度，實時監測建築病害等。以預設的掃描測繪密度自動獲取數以億計的點位數據，然後通過視覺化表現手段直觀顯示出這些數值的變化關系，有效監測其變形範圍及量級，以達到防災減災的目的。
以點雲數據爲基礎的數字建模爲古建築的勘查保護、虛拟修複和再現展示提供了完善的數據信息。利用三維激光掃描得到的點雲數據，首先進行古建築及周邊環境的場景塑造，建立古建築虛拟修複系統，對殘損和病害的部分(fēn)進行虛拟修複，爲古建築保護修繕方案的指定提供數據支撐。還可以建立古建築彩繪、壁畫的色彩和圖像的數據信息系統，通過古建築彩繪和壁畫修複軟件乙級古建築彩繪和壁畫配色軟件的試用，對古建築彩繪和壁畫******虛拟修複；
基于點雲的虛拟修複，可以對修複方案進行反複推敲，避免了因盲目修複對古建築造成的不可逆轉的傷害，同時也有利于修複成果進行直觀的展示比較；
Ⅱ.傾斜模型在文博古建數字化中(zhōng)的應用
傾斜攝影建模是通過簡單的照片生(shēng)成具有高分(fēn)辨率的真實三維模型，具有快速、簡單、全自動、身臨其境的實景真三維模型，廣泛的數據源兼容性和優化的格式輸出等優勢。我(wǒ)(wǒ)司具備生(shēng)産各類精度傾斜模型的能力。
單體(tǐ)化"是指每一(yī)個我(wǒ)(wǒ)們想要單獨管理的對象，是一(yī)個個單獨的、可以被選中(zhōng)的實體(tǐ)（Entity），可以附加屬性，可以被查詢統計等等。隻有具備了"單體(tǐ)化"的能力，數據才可以被管理，而不僅僅是被用來查看。我(wǒ)(wǒ)司可根據客戶需求，對傾斜數據進行單體(tǐ)化處理，實現用戶對單體(tǐ)建築的任意編輯功能。
古建築具有獨特的曆史價值和藝術價值，數字化的古建築三維模型可以減少人們對實物(wù)接觸，方便用于虛拟展示，通過無人機(UAV)傾斜攝影測量方法則可以便捷地采集空中(zhōng)和近地面的影像。市場上常見的多旋翼無人機具有定點懸停、調節相機姿态等功能，拍攝影像的位置與視角可以通過人工(gōng)或程序來控制，可以靈活根據建築物(wù)的外(wài)形進行規劃拍攝，然後利用成熟的攝影測量三維重建方法獲取高質量三維模型。
Ⅲ. 人工(gōng)精細模型在文博古建數字化中(zhōng)的應用
人工(gōng)3D模型是通過3d max / SketchUp等三維制作軟件通過虛拟三維空間構建出具有三維數據的模型，在科學領域，将三維建模作爲化合物(wù)的******模型；在醫療行業，使用三維建模制作器官的******模型；在電影行業，三維建模用于活動的人物(wù)、物(wù)體(tǐ)以及現實電影；在視頻(pín)遊戲産業，将三維建模作爲計算機與視頻(pín)遊戲中(zhōng)的資(zī)源；在建築業将三維建模用來展示提議的建築物(wù)或者風景表現；在工(gōng)程界将三維建模用于設計新設備、交通工(gōng)具、結構以及其它應用領域。
中(zhōng)國古建築是中(zhōng)華民族的珍貴文化遺産，在******建築領域中(zhōng)獨樹(shù)一(yī)幟。古建築模型是古建築文化的一(yī)個濃縮，也是對古建築的******建築空間、精巧的建築結構和構件，以及所體(tǐ)現的社會文化的***直觀表達；
古建築人工(gōng)精細模型可以方便的用于研究、傳播這些建築的價值，而減少對實物(wù)的人爲損傷。數字化的三維建築模型與虛拟現實技術結合，還可以用于旅遊開(kāi)發，進行虛拟展示；
******的三維數字化模型中(zhōng)包含實物(wù)***準确的基礎數據，可以替代實物(wù)，用于文物(wù)價值的研究，通過虛拟地複原建築遺迹的原始面貌，動态模拟其由古至今的演變過程，爲考古研究和旅遊參觀提供更爲生(shēng)動的信息表達方式；
在室内外(wài)三維模型生(shēng)産方面，我(wǒ)(wǒ)們擁有獨特優勢，并建立了龐大(dà)的專屬模型庫。
Ⅰ.精度高
4.1 建築分(fēn)類處理保證采集數據精度：通過大(dà)規模、高要求的實際項目驗證，總結完善了适用于中(zhōng)國古代木構建築的三維信息采集技術标準，針對不同形制不同類型的古建築事項相對應的掃描精度選取及點把控，确保點雲的精度；
4.2 與傳統工(gōng)程圖相結合：将三維掃描精度與傳統工(gōng)程圖的對應比例關系相匹配。我(wǒ)(wǒ)們在大(dà)量對比實驗的基礎上隻做了三維激光掃描精度與傳統工(gōng)程圖比例的對應表，以便針對不同項目中(zhōng)對于建築的不同精度級别及相應要求選擇需要的掃描儀器來制定相應的掃描方案；
4.3 分(fēn)級管理提高數據整合精度：針對院落範圍、單體(tǐ)建築、局部細節劃分(fēn)爲上、中(zhōng)、下(xià)三層級數據進行管理，采用集中(zhōng)拼接重點建築、總體(tǐ)把控院落質量、智能拼接加人工(gōng)拼接的綜合數據處理方式。
4.4 制作精度控制表保證精度：制作出了專門針對古建築三維激光掃描的精度控制表。
Ⅱ.位置準
4.5 與傳統GIS相結合提高精準度：所有數據采集成果均可導入GIS大(dà)地坐标系統，與傳統測繪控制網絡無縫對接，确保數據的精準度；
4.6 與無人機技術相結合提高精準度：結合無人機傾斜攝影測量技術，将無人機GPS信息導入到點雲中(zhōng)，實現了點對點高精度的點雲與GIS信息的完美匹配；
4.7 制作精準度矯正技術标準：通過大(dà)批量結合運用點雲與GIS坐标項目的作業驗證，總結并完善了針對古建築三維信息數據采集的GIS地理嘻嘻精度校正技術與标準流程規範。
Ⅲ.效率快
4.8 優化技術方案提******率與核算成本：通過大(dà)規模、高要求的實際項目驗證，我(wǒ)(wǒ)們針對不同特點的中(zhōng)國古建築結構優化了三維信息采集的布站方式、大(dà)大(dà)提高了三維激光數據采集的效率與成本核算問題。
4.9 自主研發設備實現*********覆蓋：自主研發了遙控高懸空臂設備，氣炮設備，爲高空屋檐數據采集和室内梁架結構數據采集提供了設施和安全保障，實現了點雲數據*********無死角覆蓋；
4.10 不斷吸收新技術提高工(gōng)作效率：整合跟蹤******三維信息采集新技術及***前端的采集設備，并自主研發了數字成果壓縮存儲及調用技術，保證了數字成果的快速調用，提高了點雲數據的易用性及未來應用的拓展性。
Ⅳ.多種成果轉換及應用
我(wǒ)(wǒ)們将體(tǐ)量大(dà)的建築點雲分(fēn)塊封裝并進行不同程度的去(qù)噪、平滑、調色等模型處理，對比處理後哪些模型的輪廓更容易區分(fēn)，以此作爲分(fēn)塊處理模塊，輸出模型。并将處理後的模型塊進入PS等模型或出圖軟件進行******DPI的出圖，然後将分(fēn)塊出具模型的正攝圖用PS結合起來，對比分(fēn)析哪種模型更容易體(tǐ)現出其清晰的法線等信息，***後通過軟件識别将其識别。
Ⅴ.特點及優勢
平遙古城作爲******文化遺産，聯合國教科文組織稱其爲“中(zhōng)國古代城市在明清時期的傑出範例，平遙古城保存了其所有特征。而且，在中(zhōng)國曆史的發展中(zhōng)，爲人們展示了一(yī)幅非同尋常的文化、社會、經濟及宗教發展的完整畫卷”。本次貼近攝影測量建模作業，主要針對平遙古城極具代表性的典型場景開(kāi)展，包括平遙古城迎薰門城樓及左右外(wài)擴50米至兩邊敵樓、市樓、明清一(yī)條街等。
作業流程：
1.從無到有，采集粗模：采用經緯 M300 RTK 及 DJI P1，開(kāi)啓智能擺動拍攝模式，以 80 米的飛行高度采集測區整體(tǐ)範圍的三維傾斜數據，并使用大(dà)疆智圖生(shēng)産測區的粗略三維模型；
2.由粗到細，精模航線規劃：使用貼近攝影測量航線規劃軟件，基于測區粗模規劃精細化航線，航線規劃時将測區重點分(fēn)爲城牆、城樓、街道、市樓等模塊；
3.數據采集：使用經緯 M300 RTK 搭載 DJI P1 與精靈4 RTK，将規劃的貼近攝影測量航線導入并執行任務；針對城樓與市樓低矮内部細節以及街道檐下(xià)部分(fēn)，使用精靈4 RTK 手動補拍；針對頂部，使用經緯 M300 RTK 搭載 DJI P1 飛行 40 米的高度，開(kāi)啓智能擺動拍攝模式采集傾斜數據。
4.數據處理：将采集到的 2 萬多張照片導入大(dà)疆智圖集群版建模，耗時約 24 小(xiǎo)時完成模型重建。
精細化的三維模型爲平遙古城的保護、修繕、研究及數字化存檔工(gōng)作，提供了完善的信息依據。
鹳雀樓位于山西省運城市境内的黃河岸畔。由于樓體(tǐ)壯觀，結構奇特，氣勢雄偉，風景秀麗，前瞻中(zhōng)條太華山，下(xià)瞰巍巍黃河水，唐代詩人王之渙的千古絕唱(chàng)《登鹳雀樓》“白(bái)日依山盡，黃河入海流。欲窮千裏目，更上一(yī)層樓。”即誕生(shēng)于此。
2015年初-2016年末，與北(běi)京工(gōng)業大(dà)學城市建築與規劃學院/北(běi)京市曆史建築保護工(gōng)程技術研究中(zhōng)心共同完成85處北(běi)京市級以上文保單位的1097座單體(tǐ)曆史建築的信息采集，是目前北(běi)京完成的規模******的一(yī)次三維技術應用實踐。
六和塔三維數字化掃描，曆時六個月，與六和塔修繕工(gōng)程同步進行。技術上采用三維激光掃描方式，采集過程中(zhōng)，共架設了527個采集站點，對六和塔的外(wài)部結構、内部結構包括明層、暗層全部進行了掃描。掃描采集原始點雲數據爲363G，總的點雲量爲230.299億個點，總體(tǐ)拼接精度标準差爲0.438。
杭州六和塔三維數字化掃描
山西地質博物(wù)館室内三維導航
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