文博古建三維數(shù)字化解決方案
編輯：2022-11-28 15:19:58
文博古建是指文物、博物館、古建筑等，是中華民族珍貴的歷史文化遺產(chǎn)；對文博古建進行三維數(shù)字化是文博古建保護的重要組成部分。
Ⅰ. 古建筑保護背景簡介
隨著我國對建筑遺產(chǎn)保護工作的重視程度逐步增加，對古建筑保護修繕技術的要求也隨之提升。古建筑信息采集作為古建筑保護的基礎性工作具有深遠的意義。近年來，古建筑保護正向著以數(shù)字化安全監(jiān)測為代表的研究性、預防性保護方向發(fā)展，這就給古建筑信息的采集、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表面信息。與傳統(tǒng)信息獲取技術相比，它具有非接觸式工作、受外界因素干擾小、掃描速度快、精確度高、兼容性高等各種優(yōu)點。將三維激光掃描技術引入古建筑的數(shù)字化保護中，能夠為古建筑的保護修繕工作提供高精度、完整的空間數(shù)據(jù)信息。
在古建筑修繕領域，數(shù)字虛擬技術的應用日益普及，以點云數(shù)據(jù)為基礎的數(shù)字建模為古建筑的勘查保護、虛擬修復和再現(xiàn)展示提供了完善的數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)，首先進行古建筑及周邊環(huán)境的場景塑造，建立古建筑虛擬修復系統(tǒng)，對殘損和病害的部分進行虛擬修復，為古建筑保護修繕方案的擬定提供數(shù)據(jù)支撐。還可以建立古建筑彩繪、壁畫的色彩和圖像的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，通過古建筑彩繪和壁畫修復軟件以及古建筑彩繪和壁畫配色軟件的使用，對古建筑彩繪和壁畫高效虛擬修復。
故宮-北院區(qū)御窯廠
Ⅱ. 歷史文化名村名鎮(zhèn)及傳統(tǒng)村落保護背景簡介
歷史文化名鎮(zhèn)名村是中華民族寶貴的文化資源和精神財富，加強歷史文化名鎮(zhèn)名村的保護和利用，對于研究我國不同地域歷史村鎮(zhèn)的傳統(tǒng)風貌和建筑藝術，傳承優(yōu)秀文化，增強人民群眾的民族文化認同感和自豪感，塑造村鎮(zhèn)特色，促進村鎮(zhèn)和諧發(fā)展具有重要意義。
傳統(tǒng)村落是指村落形成較早，擁有較豐富的傳統(tǒng)資源，具有一定歷史、文化、科學、藝術、社會、經(jīng)濟價值，應予以保護的村落。我國傳統(tǒng)文化的根基在農(nóng)村，傳統(tǒng)村落保留著豐富多彩的文化遺產(chǎn)，是承載和體現(xiàn)中華民族傳統(tǒng)文明的重要載體。
開展歷史文化名鎮(zhèn)名村和傳統(tǒng)村落測繪，是推動歷史文化名鎮(zhèn)名村和傳統(tǒng)村落保護的重要手段，有利于進一步梳理歷史文化資源，形成重要的第一手資料，為開展保護利用和活態(tài)傳承打好基礎。
晉建村函〔2022〕1178 號《山西省住房和城鄉(xiāng)建設廳關于開展歷史文化名鎮(zhèn)名村和傳統(tǒng)村落測繪試點的通知》
根據(jù)通知要求，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（鎮(zhèn)）開展歷史文化名鎮(zhèn)名村和傳統(tǒng)村落測繪試點，形成測繪成果，編制測繪圖集。
按照全面測繪、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(xiàn)狀測繪圖、平面現(xiàn)狀測繪圖、立面現(xiàn)狀測繪圖、剖面現(xiàn)狀測繪圖、典型構件大樣圖和傳統(tǒng)建筑檔案表。
Ⅲ. 智慧文博背景簡介
隨著國家政策鼓勵博物館將館藏資源進行融合性的發(fā)展，提倡博物館將數(shù)字技術作為文博事業(yè)發(fā)展的重要引擎。在發(fā)展博物館文物保護與利用的同時，使其進一步滿足人民對文博文化的需求，并盡力使其能夠持續(xù)在公共文化服務中發(fā)揮基礎性、關鍵性的作用。
利用計算機圖形學技術構建的數(shù)字化展覽館，是一種三維互動體驗方式。它無需投入巨資建立真實場館。云展廳，是一個集視聽影音、線上學習、資料查閱、交互體驗于一體的綜合展覽，作為一個云端的學習參觀平臺，它打破時間與空間的限制，采用最新的三維建模技術，實現(xiàn)虛擬展館的三維可視化，實現(xiàn)自動、手動漫游。
博物館館藏文物具有重要的研究價值和觀賞價值，是一個國家科學和文化的歷史沉淀，也是一個國家精神價值的直接體現(xiàn)。由于博物館館藏文物具有珍貴、精致的特點，在館藏文物三維數(shù)字化保護過程中，對館藏文物的紋理信息采集記錄、數(shù)據(jù)分析應用尤為重要。在精細、繁多的數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記載方式在效率和精度上都很難滿足館藏文物對數(shù)據(jù)的需求。與傳統(tǒng)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(shù)據(jù)誤差值更低，且非接觸式的數(shù)據(jù)獲取方式有效減少了人為因素對館藏文物的損壞。
將三維數(shù)字化技術應用在文物保護工作中，能夠作為真實文物的副本保存，為文物保護研究建立完整、準確的數(shù)字檔案。通過數(shù)字記錄的方法為文物保護提供了檢測和修復依據(jù)，并在已知數(shù)據(jù)的基礎上重建已經(jīng)不存在的或者被毀壞的歷史遺跡，對流落到國外的文物進行數(shù)字復原，數(shù)據(jù)回歸祖國。
此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”與三維數(shù)據(jù)的應用，為文物的信息儲存和展示形式提供了新方式。充分利用人工智能、VR技術等，以數(shù)據(jù)推動文物的數(shù)字化保護、多樣化展示及博物館業(yè)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(xiàn)的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為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(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。應用掃描技術來測量古建筑的尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程，負責曲面抄數(shù)，古建筑結構和部件的三維測量，針對現(xiàn)有三維實物（樣品或模型）在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)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 (一般在100米以內)非地形目標拍攝的圖像,測定被攝目標幾何特性的技術。數(shù)字近景攝影視覺測量是建立在數(shù)字成像、圖像處理與識別以及精密測量原理基礎上的新型工業(yè)現(xiàn)場三維精密測量技術；
貼近攝影測量是一種面向目標對象的攝影測量，利用目標的粗略模型生成精細拍攝的三維航跡，近距離貼近目標或者物體表面進行面向對象的飛行及攝影，加以適當角度的補拍，從而獲取覆蓋對象的毫米級分辨率影像，并通過攝影測量軟件處理生成精細化三維重建。
貼近攝影測量之所以被稱為介于二維對地正射攝影、三維傾斜攝影之外的第三種攝影測量方式，是因為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別。
Ⅲ. 傾斜攝影測量技術
傾斜攝影技術是通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維模型；
Ⅳ. 數(shù)據(jù)采集方式
Ⅴ. 邏輯架構及生產(chǎn)流程
Ⅰ. 點云數(shù)據(jù)在文博古建數(shù)字化中的應用
點云數(shù)據(jù)是三維激光掃描后得到的數(shù)據(jù)成果，點云數(shù)據(jù)是包含點的三維坐標及顏色屬性的點集合，可以進行距離 、角度、體積、面積等各種測量工作。
在三維激光掃描工作結束后，首先要對點云數(shù)據(jù)進行處理，為后續(xù)的應用打好工作基礎，包括點云坐標確立、去噪和濾波、數(shù)據(jù)拼接及點云封裝等工作?；邳c云數(shù)據(jù)的建模主要有多邊形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及復合建模四種方式。
現(xiàn)狀正射點云圖直接來源于掃描的點云數(shù)據(jù)，包含了建筑完整的幾何信息，內部結構及周邊的環(huán)境信息，無需數(shù) 據(jù)轉換，非常適合古建筑現(xiàn)狀的圖紙記錄。通過導入工程制圖軟件平臺，還可以對點云數(shù)據(jù)進行標注及測量。
在以點云數(shù)據(jù)為基礎所建立的三維空間模型中，可以采用多視角、動態(tài)交互的瀏覽方式，任意選擇觀察的位置以及視線的方向，隨時進行剖切瀏覽，擺脫了以往利用二維圖紙進行解讀信息的局限性，對建筑的內部結構特征也能很準確地解讀。在高精度掃描的數(shù)據(jù)中，對建筑細部、建筑色彩信息也能更直觀地進行記錄瀏覽。
三維掃描得到的點云數(shù)據(jù)可以用來分析建筑本體形變、建筑墻面及地面的整體平整度，實時監(jiān)測建筑病害等。以預設的掃描測繪密度自動獲取數(shù)以億計的點位數(shù)據(jù)，然后通過視覺化表現(xiàn)手段直觀顯示出這些數(shù)值的變化關系，有效監(jiān)測其變形范圍及量級，以達到防災減災的目的。
以點云數(shù)據(jù)為基礎的數(shù)字建模為古建筑的勘查保護、虛擬修復和再現(xiàn)展示提供了完善的數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描得到的點云數(shù)據(jù)，首先進行古建筑及周邊環(huán)境的場景塑造，建立古建筑虛擬修復系統(tǒng)，對殘損和病害的部分進行虛擬修復，為古建筑保護修繕方案的指定提供數(shù)據(jù)支撐。還可以建立古建筑彩繪、壁畫的色彩和圖像的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，通過古建筑彩繪和壁畫修復軟件乙級古建筑彩繪和壁畫配色軟件的試用，對古建筑彩繪和壁畫高效虛擬修復；
基于點云的虛擬修復，可以對修復方案進行反復推敲，避免了因盲目修復對古建筑造成的不可逆轉的傷害，同時也有利于修復成果進行直觀的展示比較；
Ⅱ.傾斜模型在文博古建數(shù)字化中的應用
傾斜攝影建模是通過簡單的照片生成具有高分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(shù)據(jù)源兼容性和優(yōu)化的格式輸出等優(yōu)勢。我司具備生產(chǎn)各類精度傾斜模型的能力。
單體化"是指每一個我們想要單獨管理的對象，是一個個單獨的、可以被選中的實體（Entity），可以附加屬性，可以被查詢統(tǒng)計等等。只有具備了"單體化"的能力，數(shù)據(jù)才可以被管理，而不僅僅是被用來查看。我司可根據(jù)客戶需求，對傾斜數(shù)據(jù)進行單體化處理，實現(xiàn)用戶對單體建筑的任意編輯功能。
古建筑具有獨特的歷史價值和藝術價值，數(shù)字化的古建筑三維模型可以減少人們對實物接觸，方便用于虛擬展示，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(jié)相機姿態(tài)等功能，拍攝影像的位置與視角可以通過人工或程序來控制，可以靈活根據(jù)建筑物的外形進行規(guī)劃拍攝，然后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. 人工精細模型在文博古建數(shù)字化中的應用
人工3D模型是通過3d max / SketchUp等三維制作軟件通過虛擬三維空間構建出具有三維數(shù)據(jù)的模型，在科學領域，將三維建模作為化合物的精確模型；在醫(yī)療行業(yè)，使用三維建模制作器官的精確模型；在電影行業(yè)，三維建模用于活動的人物、物體以及現(xiàn)實電影；在視頻游戲產(chǎn)業(yè)，將三維建模作為計算機與視頻游戲中的資源；在建筑業(yè)將三維建模用來展示提議的建筑物或者風景表現(xiàn)；在工程界將三維建模用于設計新設備、交通工具、結構以及其它應用領域。
中國古建筑是中華民族的珍貴文化遺產(chǎn)，在世界建筑領域中獨樹一幟。古建筑模型是古建筑文化的一個濃縮，也是對古建筑的優(yōu)秀建筑空間、精巧的建筑結構和構件，以及所體現(xiàn)的社會文化的最直觀表達；
古建筑人工精細模型可以方便的用于研究、傳播這些建筑的價值，而減少對實物的人為損傷。數(shù)字化的三維建筑模型與虛擬現(xiàn)實技術結合，還可以用于旅游開發(fā)，進行虛擬展示；
精確的三維數(shù)字化模型中包含實物最準確的基礎數(shù)據(jù)，可以替代實物，用于文物價值的研究，通過虛擬地復原建筑遺跡的原始面貌，動態(tài)模擬其由古至今的演變過程，為考古研究和旅游參觀提供更為生動的信息表達方式；
在室內外三維模型生產(chǎn)方面，我們擁有獨特優(yōu)勢，并建立了龐大的專屬模型庫。
Ⅰ.精度高
4.1 建筑分類處理保證采集數(shù)據(jù)精度：通過大規(guī)模、高要求的實際項目驗證，總結完善了適用于中國古代木構建筑的三維信息采集技術標準，針對不同形制不同類型的古建筑事項相對應的掃描精度選取及點把控，確保點云的精度；
4.2 與傳統(tǒng)工程圖相結合：將三維掃描精度與傳統(tǒng)工程圖的對應比例關系相匹配。我們在大量對比實驗的基礎上只做了三維激光掃描精度與傳統(tǒng)工程圖比例的對應表，以便針對不同項目中對于建筑的不同精度級別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 分級管理提高數(shù)據(jù)整合精度：針對院落范圍、單體建筑、局部細節(jié)劃分為上、中、下三層級數(shù)據(jù)進行管理，采用集中拼接重點建筑、總體把控院落質量、智能拼接加人工拼接的綜合數(shù)據(jù)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筑三維激光掃描的精度控制表。
Ⅱ.位置準
4.5 與傳統(tǒng)GIS相結合提高精準度：所有數(shù)據(jù)采集成果均可導入GIS大地坐標系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測繪控制網(wǎng)絡無縫對接，確保數(shù)據(jù)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，將無人機GPS信息導入到點云中，實現(xiàn)了點對點高精度的點云與GIS信息的完美匹配；
4.7 制作精準度矯正技術標準：通過大批量結合運用點云與GIS坐標項目的作業(yè)驗證，總結并完善了針對古建筑三維信息數(shù)據(jù)采集的GIS地理嘻嘻精度校正技術與標準流程規(guī)范。
Ⅲ.效率快
4.8 優(yōu)化技術方案提高效率與核算成本：通過大規(guī)模、高要求的實際項目驗證，我們針對不同特點的中國古建筑結構優(yōu)化了三維信息采集的布站方式、大大提高了三維激光數(shù)據(jù)采集的效率與成本核算問題。
4.9 自主研發(fā)設備實現(xiàn)全方位覆蓋：自主研發(fā)了遙控高懸空臂設備，氣炮設備，為高空屋檐數(shù)據(jù)采集和室內梁架結構數(shù)據(jù)采集提供了設施和安全保障，實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)全方位無死角覆蓋；
4.10 不斷吸收新技術提高工作效率：整合跟蹤最新三維信息采集新技術及最前端的采集設備，并自主研發(fā)了數(shù)字成果壓縮存儲及調用技術，保證了數(shù)字成果的快速調用，提高了點云數(shù)據(jù)的易用性及未來應用的拓展性。
Ⅳ.多種成果轉換及應用
我們將體量大的建筑點云分塊封裝并進行不同程度的去噪、平滑、調色等模型處理，對比處理后哪些模型的輪廓更容易區(qū)分，以此作為分塊處理模塊，輸出模型。并將處理后的模型塊進入PS等模型或出圖軟件進行最大DPI的出圖，然后將分塊出具模型的正攝圖用PS結合起來，對比分析哪種模型更容易體現(xiàn)出其清晰的法線等信息，最后通過軟件識別將其識別。
Ⅴ.特點及優(yōu)勢
平遙古城作為世界文化遺產(chǎn)，聯(lián)合國教科文組織稱其為“中國古代城市在明清時期的杰出范例，平遙古城保存了其所有特征。而且，在中國歷史的發(fā)展中，為人們展示了一幅非同尋常的文化、社會、經(jīng)濟及宗教發(fā)展的完整畫卷”。本次貼近攝影測量建模作業(yè)，主要針對平遙古城極具代表性的典型場景開展，包括平遙古城迎薰門城樓及左右外擴50米至兩邊敵樓、市樓、明清一條街等。
作業(yè)流程：
1.從無到有，采集粗模：采用經(jīng)緯 M300 RTK 及 DJI P1，開啟智能擺動拍攝模式，以 80 米的飛行高度采集測區(qū)整體范圍的三維傾斜數(shù)據(jù)，并使用大疆智圖生產(chǎn)測區(qū)的粗略三維模型；
2.由粗到細，精模航線規(guī)劃：使用貼近攝影測量航線規(guī)劃軟件，基于測區(qū)粗模規(guī)劃精細化航線，航線規(guī)劃時將測區(qū)重點分為城墻、城樓、街道、市樓等模塊；
3.數(shù)據(jù)采集：使用經(jīng)緯 M300 RTK 搭載 DJI P1 與精靈4 RTK，將規(guī)劃的貼近攝影測量航線導入并執(zhí)行任務；針對城樓與市樓低矮內部細節(jié)以及街道檐下部分，使用精靈4 RTK 手動補拍；針對頂部，使用經(jīng)緯 M300 RTK 搭載 DJI P1 飛行 40 米的高度，開啟智能擺動拍攝模式采集傾斜數(shù)據(jù)。
4.數(shù)據(jù)處理：將采集到的 2 萬多張照片導入大疆智圖集群版建模，耗時約 24 小時完成模型重建。
精細化的三維模型為平遙古城的保護、修繕、研究及數(shù)字化存檔工作，提供了完善的信息依據(jù)。
鸛雀樓位于山西省運城市境內的黃河岸畔。由于樓體壯觀，結構奇特，氣勢雄偉，風景秀麗，前瞻中條太華山，下瞰巍巍黃河水，唐代詩人王之渙的千古絕唱《登鸛雀樓》“白日依山盡，黃河入海流。欲窮千里目，更上一層樓?！奔凑Q生于此。
2015年初-2016年末，與北京工業(yè)大學城市建筑與規(guī)劃學院/北京市歷史建筑保護工程技術研究中心共同完成85處北京市級以上文保單位的1097座單體歷史建筑的信息采集，是目前北京完成的規(guī)模最大的一次三維技術應用實踐。
六和塔三維數(shù)字化掃描，歷時六個月，與六和塔修繕工程同步進行。技術上采用三維激光掃描方式，采集過程中，共架設了527個采集站點，對六和塔的外部結構、內部結構包括明層、暗層全部進行了掃描。掃描采集原始點云數(shù)據(jù)為363G，總的點云量為230.299億個點，總體拼接精度標準差為0.438。
杭州六和塔三維數(shù)字化掃描
山西地質博物館室內三維導航
山西玖立信息科技股份有限公司
