基于GIS 古建筑三维激光扫描数据采集及信息管理.pdf

Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 65 - 基于 GIS 古建筑三维激光扫描数据采集及信息管理 一体化研究* 赵俊兰*1，曹程琳 1 1. 北方工业大学土木工程学院，北京 100144 摘 要本文的目的是通过高速激光扫描，大面积、高分辨率地获取被测对象表面三维坐标数据，为古建的三维逆向重建及 影像数据的获取提供了一种全新的数字化存档方法。本文以历史悠久、人文蔡萃的上海松江方塔古建筑为实验内容验证此方 法，通过三维激光扫描的外业测量实施和内业数据处理过程，实现了三维古建模型的生成，构建了古建筑物的空间数据库， 研发了基于 GIS 的古建保护信息管理系统，建立了古建筑从三维数据采集、信息管理到古建保护一体化的保护体系。 关键词三维激光；古建保护；GIS Integrative Study on Data Acquisition and Ination Management in Ancient Architecture Using 3D Laser Scanning Based on GIS Junlan Zhao*1, Chenglin Cao1 1. College of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing, China, 100144 *1zhao_junlan Abstract Through a high-speed laser scanning, the 3D data of an object can be caught in large -scale with high efficiency, high accuracy and excellent resolution. It is a new digital way in 3D reconstruction and acquisition of image data for the ancient architecture. Shanghai Songjiang square tower is an example for this study. The 3D model of the ancient architecture was generated after field scanning and data processing. The integrative protection system for the ancient building was set up through establishing spatial database and developing the protection ination management system based GIS. Keywords 3D Laser; Ancient Building Conservation; GIS 引言 由于城市建设的快速发展， 给古建筑区域的建筑与地下管线造成不同程度的影响与破坏。 本文运用三维激光 扫描测量技术对古建筑实施保护与修复，采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标， 全面准确地记录其具体尺寸、布局及其相互关系、外部形态和古建筑群整体形象。通过激光扫描测绘技术提供的 点云数据， 实现了古建筑测绘中各个方向的剖面处理， 使古建筑的多个角度得以全面展示， 对准确了解古建形制、 认识古建间的相互关系具有重要意义[1-3]。 针对古建筑保护的实用性， 用户希望系统生成的最终模型不仅能够完 整、精确地记录建筑物本身的空间结构，还要能够记录建筑群落周边的环境信息[4]。基于 GIS 对古建筑三维激 光扫描数据采集及信息管理一体化的研究,可以为古建筑后续的研究和修复提供依据[5]。通过采用古建筑数据 库，结合虚拟现实技术和 GIS 技术，重建古建及其场所的三维数字元元模型，为古建数字化保护开辟了新天地。 *基金资助北京市教委科研专项促进人才培养综合改革项目土压平衡盾构施工刀盘挤土效应及实验模拟研究（14085-11）资助。 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 66 - 1 三维激光扫描技术基本原理 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号， 经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算目标点 P 与扫描仪距离 S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值 α 和纵向扫描角度 观测值 β。 三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。 X 轴在横向扫描面内， Y 轴在横向扫描面与 X 轴垂直， Z 轴与横向扫描面垂直。获得 P 的坐标（如图 1 所示）[2]。 图 1 扫描点坐标计算原理 2 三维激光扫描数据的获取与处理 三维激光扫描系统的工作流程为数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。如图 2 所示。 图 2 数据处理程序框图 2.1 数据采集 数据采集包括点云数据的获取和数字元影像的采集， 根据目标物实际情况设计扫描路线和扫描站点， 确定采 样密度。本文根据上海松江方塔古建筑的位置及形状，扫描共设四个站点，保证模型拼接具有合适的重迭度。图 3 为扫描获得的点云数据，目标扫描采用扫描点距为 2mm。图 4 为 CAD 模型，图 5 为 CAD 重构平面图。 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 67 - 图 3 点云数据 图 4 CAD 模型 图 5 CAD 重构平面图 2.2 数据处理 由于在点云数据采集过程中会受到系统和环境等因素的影响， 因此需借助后处理软件去噪、 平滑等操作为后 续曲面重构工作做准备。由美国 Raindrop 公司出品的逆向工程和三维检测软件 Geomagic Studio 可创建由点云数 据转换成的多边形网格，并可转换为 NURBS 曲面。 2.2.1 点云配准 点云配置就是利用点云数据中的变换信息或在点云数据采集的同时， 再引入其它信息对点云数据进行配准计 算。 点云配准通常是在相邻的 2 个测站公共区域安置 3 个或 3 个以上靶标进行扫描， 按照摄影测量影像匹配的原 理，计算相邻区同一靶标组成的同名点的点云配准参数，完成相邻点云的配准。 2.2.2 点云数据预处理 首先可通过肉眼识别的人机交互方式实现点云去噪，进一步进行曲线检查、偏差过滤等方法，对高频信号噪 声点通过设计合适的滤波函数来达到目的。 2.2.3 数据分割和曲面拟合 数据分割是先将点云数据划分为简单单一的拓扑结构区再进行拟合的数据处理方法。 对于表面曲率变化不大 的部分可智能 NURBS 构面，自动优化提取后的特征线生产 NURBS 曲面。而对于曲率变化较大的表面区，可先 进行表面区域划分，划分的基本原则是每块曲面片的曲率变化尽量均匀，与实体轮廓形状一致。 2.3 几何模型建立 资料预处理完成后，对实体进行建模，在扫描区扫描各单体时，每个单体的扫描效果不尽相同，因此需对不 同的单体进行不同的处理。对于点云数据齐全的古建筑可直接在 Cyclone 拟合生成，通过控制位置拟合出逼真的 建筑这种方法建古建高效快捷；对于点云数据缺省严重的单体等附属物则可将点云数据导出为 xyz 格式，在逆向 软件 geomagic 里进一步对点云进行处理、封装构网以成面。再以 DXF 格式导出在 sketch 里作为参考模型进行重 建；而对于点云质量好的单体，可直接在 geomagic 里构网建模，操作流程图如图 6 所示。本文利用 Cyclone 导 出＊.xyz 格式的点云数据，去除噪声点后导入 Geomagic 软件中生成三角网模型，如图 7 所示。 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 68 - 图 6 建模流程图 图 7 重构后的三维模型 图 8 纹理映射效果图 2.4 纹理映射 将摄影获取的图片放在 photoshop 里进行处理，适当调节亮度、饱和度、对比度，然后在 sketch 里进行贴图， 整个模型最终效果如图 8 所示，图形数据核心流程如图 9 所示。 图 9 图形处理核心流程 三维几何 数据 变换、裁 剪、取景 绘制 渲染 图像显示 输出 动画 纹理映射 单体建模 建筑物，构筑物和附属物 在 geomagic 里处理点云数据，封装、构网 成面，导出为 DXF 格式 点云质量 是否好 好 不好 Cyclone 建模 好 Geomagic 里封装， 修补，构 网，建模 已导入的 DXF 格式模型作为参考图层，重 新建模 好 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 69 - 3 面向古建保护的 GIS 应用 利用 GIS 对空间数据和属性数据的管理能力建立是基于 GIS 的古建保护信息系统，构建古建筑的空间数据 库和属性数据库，精确记录建筑群落周边的地理环境信息。通过结合虚拟技术、GIS 技术重建古建及其场所的三 维数字元模型，为古建数字化保护提供了新思路[6-10]。 3.1 建立空间和属性数据库 古建筑数据库是空间位置信息与属性信息的有机结合， 而古建筑信息管理系统则分别建立空间数据库和属性 数据库。空间数据库包括建筑平面图、立面图、剖面图、三维扫描图、历次维修图、近景摄影数码图、3D 模型 等。属性数据库是用来描述古建基本信息的数据库，例如建筑位置、建筑面积、建筑高度、建筑年代、建筑结构 类型、建筑材质及纹理、社会历史价值、修缮记录、古建筑构建类型、历史文献统计等信息。下表 1 为古建部分 属性表结构，相应的数据库和 table 数据表在 SQL Ser-ver2005 中创建。 表 1 古建部分属性表结构 序号 名称 别名 字段类型 长度 必填 1 编号 编号 长整型 4 是 2 用户编号 用户编号 长整型 4 是 3 建筑编号 建筑编号 文本型 12 否 4 名称 名称 文本型 12 是 5 地址 地址 文本型 12 是 6 建筑高度 建筑高度 短整型 2 是 7 建筑面积 建筑面积 单精度 4 是 8 建筑结构 建筑结构 文本型 12 是 9 建筑材质 建筑材质 文本型 12 是 10 历史价值 历史价值 文本型 50 是 11 修缮记录 修缮记录 文本型 50 是 12 建设年代 建设年代 文本型 12 是 13 备注 备注 文本型 100 3.2 建立古建筑保护专业分析系统 利用系统的虚拟漫游功能实现数字古建在不同场景、不同角度下的虚拟漫游。同时，这也实现了多方位、多 角度地虚拟观察古建模型， 突破了传统的基于现场观摩和手工量测分析的古建研究方法， 为普通用户和专家学者 提供新的研究平台和研究途径，避免由于人为的碰触而导致古建的损坏，提高了古建信息的利用率和流通率。 3.3 系统功能实现 系统进行功能设计后，针对上海松江方塔为研究对象，选用北京超图公司的 SuperMap Objects 软件平台和 VB.NET2008 进行组件式二次开发。系统采用 C/S 结构模式开发面向管理者的软件程序，系统框架如图 10 所示。 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 70 - 图 10 系统总体框架 系统实现的主要功能如下 （1）系统基础功能主要有地图绘制、地图控制、布局、数据处理、查询、空间分析、三维、虚拟漫游、帮 助等。 （2）模型显示功能是系统最基础的可视化功能，实现了不同角度和不同场景下的模型重现。使用户将沉 浸在虚拟现实环境中，虚拟漫游接口如图 11 所示。 （3）信息查询利用古建图文互查模块，实现古建信息的查询，如图 12 所示。 （4）现状评估通过收集历史文献资料和三维激光的点空间资料，评估古建安全性及发展规律。 （5）变形监测通过三维激光的监测功能对古建进行定期监测，得到位移及预测值数据，并将数据制成专 题图。 （6）修复对新修复的信息及时更新及保存。 4 结束语 本文将三维激光扫描技术和 GIS 共同应用于古建保护中，拓宽了古建保护方法，走出了传统的基于二维图 纸和影像的手工保存古建时代， 对永久性保存古建数字信息， 传承其文化和世界范围内的艺术价值具有重要意义。 数据库 古建保护信息系 统 属性数据库 空间数据库 建筑平面图、立面图、剖面图、三维扫描图、 历次维修图， 近景摄影数码图， 三维模型， CAD 图，维修图 历史修缮记录表，古建概况表，历 史价值，古建保护知识，文物保护 知识，历史文物数据 数字化模块 数据管理 虚拟漫游 属性数据库 空间分析 基础操作 Sept. 2014, Vol. 4, Iss. 5, PP. 65-71 Scientific Journal of Computer Science - 71 - 图 11 虚拟漫游界面 图 12 古建筑信息查询 参考文献 [1] 马立广. 地面三维激光扫描测量技术研究[博士学位论文][D]. 武汉 武汉大学, 2005. [2] 毛方儒, 王磊. 三维激光扫描测量技术[J]. 宇航计测技术, 2005, 252 1-6. [3] 李秋, 秦永智, 李宏英. 激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究[J]. 煤炭工程, 2006, 4 97-99. [4] 王超, 薛烨. 古建筑保护中的新技术应用[J]. 山西建筑,2007, 3322 28-29. [5] 臧春雨. 三维激光扫描技术在文保研究中的应用[J]. 建筑学报, 2006, 12 54-56. [6] 孙英君, 丁宁, 王倩. 基于二三维联动机制的数字校园系统研究及其应用[J]. 山东建筑大学学报, 2009, 244 377-380. [7] 董秀军, 黄润秋. 三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 增刊 2, 2006, 179 3629-3635. [8] 杨克俭, 刘舒燕, 陈定方. 虚拟现实中的建模方法[J]. 武汉工业大学学报, 2001, 6 47-50. [9] 赵群, 刘键, 陈金科. 应用激光扫描法对国家体育馆大跨度钢屋架滑移过程变形监测与分析[J]. 测绘科学， 2007， 323 110-112. [10] Barton, Justin. 3D laser scanning and the conservation of earthen architecture a case study at the UNESCO World Heritage Site Merv, Turkmenistan [J]. World Archaeology, 413 489-504. 【作者简介】【作者简介】 赵俊兰（1962-），女，汉族，教 授。研究方向3S 技术及其应用， 岩土信息技术。学习经历1983 年 7 月 毕业于西南科技大学获工 学学士学位；1988 年 9 月－1989 年 7 月在武汉大学 （原武汉测绘科 技大学）大地测量助教进修班学习；1995 年 7 月－ 1998 年 7 月在清华大学研究生学习；2000 年 9 月－ 2001 年 7 月在北京大学地空学院遥感研究所访问学 者； 2005 年 9 月－2006 年 7 月 在北京大学遥感研究 所做国内高级访问学者。 Email zhao_junlan 曹程琳（1983-），男，汉族，工学学士，在职工程 硕士。研究方向校园数字管网信息化。学习经历 2002-2006 年就读于北京工商大学信息工程专业。 Email ccl530