多源數據融合的歷史建筑三維重建方法

叢曉丹，姜　洋，吳　岡，周鈺琢，趙鈺哲

多源數據融合的歷史建筑三維重建方法

叢曉丹1，2，姜洋2，3，吳岡1，2，周鈺琢1，4，趙鈺哲1，4

（1.黑龍江省科學院自動化研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱 150000；3.黑龍江科學編輯部，哈爾濱 150090；4.黑龍江省自動化系統工程有限公司，哈爾濱150090）

歷史建筑可以反映出一座城市的歷史風貌和地方特色，具有很高的歷史、社會和藝術價值。本文提出了一種采用多類型三維掃描設備，實現對歷史建筑外圍環境和內部房間結構掃描的三維重建方法，解決了單一掃描方式無法兼顧建筑外部龐大的數據量和內部高精度細節的問題，并將這種三維重建方法運用到對革命領袖視察黑龍江紀念館的建模。

多源數據融合；歷史建筑；三維重建；三維激光掃描

歷史建筑是廣義的城市歷史文化遺產的組成部分，它從不同側面反映了各個歷史時期人類的活動情況。但經過多年社會環境變遷，一些歷史建筑已經變得殘破模糊。想要全面地保護、傳承歷史建筑的真實歷史信息和價值，就必須對其建筑主體結構和內外人文、自然環境一同保護。現有的建筑保護大多對建筑主體進行重建，而沒有考慮建筑內部構造人文特色［1-3］。本文采用Nova MS50全站掃描儀、MetraSCAN 3D和Go. SCAN 3D配合掃描［4］，對革命領袖視察黑龍江紀念館建筑內外進行高精度重建，獲得其三維建筑模型。

1　三維數據采集

由于建筑物內外表面大小、形狀、遮擋、精細程度不同，本研究首次嘗試應用多種類型的三維掃描、測量設備對不同區域選擇不同的精度進行掃描，以涵蓋建筑所有表面。依照掃描結果的細節、準確性和可靠性可以得到數據源等級如圖1所示。

圖1　不同等級掃描數據Fig.1　Scanning data of different levels

對建筑的平面圖進行立體拉伸，確定平面形狀和墻面的比例關系，可以得到建筑的立體框架。但不能反映建筑完成后的年代變化，可以作為掃描盲區的補充。Nova MS50全站掃描儀可以在300m范圍內，以每秒1 000個點速率，快速獲得大量的掃描數據。適合獲取建筑外形整體模型。1mm的掃描精度，保證掃描數據精確可靠。

MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D掃描儀采用三角測量法，掃描精度可達到0.1mm，而且不需任何參照標定點，適用于對建筑內部雕花內飾進行精確掃描。

2　三維模型重建

2.1數據表面重建

由于建筑本身空間形態復雜互有遮擋，采用Nova MS50全站掃描儀對其進行掃描時，需要建立多個站點完成點云獲取。將多個站點坐標定位建立相互關聯的整體坐標系，就可以對多站掃描的點云數據進行配準，連接結合成一個完整的建筑點云。

NovaMS50全站儀、MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D掃描儀得到的點云數據存在著一定的噪聲點和錯誤點，需要濾波操作降低點噪聲，并刪除多余雜點。對預處理的點云數據進行三角網格化，調節網格密度，并對模型進行拓撲檢查，依據四周曲率修補漏洞。數據表面重建前后對比如圖2所示。

圖2　數據重建前后對比Fig.2　The comparison before and after the data reconstruction

2.2多源數據融合

由預處理得到不同精度的三角網格數據，進行建筑整體三維復原工作。具體步驟如下：

第一，在基準平面上添加經過配準并預處理過的革命領袖視察黑龍江紀念館整體模型三角網格數據。包含整體建筑外表面數據和部分特色房間內表面數據。

第二，參考建筑平面圖紙采用3DMAX軟件對未掃描的房間進行立體建模，得到符合圖紙尺寸的標準房間模型，并添加到整體模型中相應的位置。

第三，將門、窗和墻面木雕等精細掃描重建的三維網格面替換建筑整體模型中的低精度模型。保留建好的建筑整體模型的同名區域邊界上的點，與同名區域精細模型進行定位對準。對不同精度模型的交界處進行網格重構，以解決不同精度模型拼接過程中產生的漏洞和錯位。

第四，參照現場圖片和資料檢查整體模型，對遮擋、損壞、缺失部位進行人工建模補充。紀念館完整三維重建模型如圖3所示。

圖3　三維重建的建筑模型Fig.3　3D reconstruction of architecturesmodel

3　高精度紋理重建

對歷史建筑的三維重建應用中，模型真實可測已不能完全滿足需求，可視化模型成為重要方面。紋理映射是在建筑的三角網格模型和二維紋理圖像之間按照攝影測量的投影方式建立對應關系。由于整個建筑內部結構復雜，木雕細節煩瑣。本研究采用3DMAX軟件中UVW展開實現紋理貼圖。將建筑整體分割成多個子房間模型，分別進行UV展開。參照UV網格分布，將拍攝好的正射影像圖與之一一對應。木雕紋理重建結果如圖4所示。

圖4　木雕紋理重建前后對比Fig.4　The comparison before and a fter the carving texture reconstruction

4　結語

本研究提出了多種三維掃描設備數據融合的歷史建筑三維重建方法，并實現革命領袖視察黑龍江紀念館整體三維模型獲取。三維建模可以作為歷史建筑的“生命檔案”永久存檔，也為歷史建筑的進一步數字化展示與虛擬體驗奠定了技術基礎。

［1］ P.K.Allen,A.Troccoli,B.Smith,S.Murray,I.Stamos.New Methods for Digital Modeling of Historic Sites［J］.IEEE Computer Graphics&Applications，2003，23 (6):32-41.

［2］ 張超，魏占營，王銳，等.數字城市建模方法研究與應用［J］.測繪科學，2012，37（5）：190-193.

［3］王銘軍，朱文耀.古代建筑三維虛擬重建方法研究與仿真［J］.計算機仿真，2014，31（3）：437-440.

［4］ 汪劍芳.Creaform 3D技術在航空航天領域的應用［J］.航空制造技術，2014，（13）：103.

Historic architectures 3D reconstruction m ethod by using m ulti-source data fusion

CONGXiao-dan1,2,JIANGYang2,3,WUGang1,2,ZHOUYu-zhuo1,4,ZHAOYu-zhe1,4
(1.InstituteofAutomation,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.High Technology Research,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150000,China; 3.Heilongjiang Science EditorialOffice,Harbin 150090,China; 4.Heilongjiang Automation Systems Engineering Co.,Ltd.,Harbin 150090,China)

Historic Architectures can reflect the history stylesand local characteristicsof the city,which hashigh historical, social and artistic values.This paper proposed a combination of various types of 3D scanning devices that can implement the 3D reconstruction of the historic architectures in the external environmental and internal structure.It solves the problems of huge amountof data in externaland high-precision details in internal of the architectures.The presented 3D reconstructionmet hod hasbeen utilized inmodelingof revolutionary leadervisited HeilongjiangMemory.

Multi-source data fusion;Historic architectures;3D reconstruction;3D laserscanning

TP391.41

A

1674-8646（2016）04-0108-02

2016-02-01