文博古建三维数字化解决方案
编辑：2022-11-28 15:19:58
文博古建是指文物、博物馆、古建筑等，是中华民族珍贵的历史文化遗产；对文博古建进行三维数字化是文博古建保护的重要组成部分。
Ⅰ. 古建筑保护背景简介
随着我国对建筑遗产保护工作的重视程度逐步增加，对古建筑保护修缮技术的要求也随之提升。古建筑信息采集作为古建筑保护的基础性工作具有深远的意义。近年来，古建筑保护正向着以数字化安全监测为代表的研究性、预防性保护方向发展，这就给古建筑信息的采集、处理、存储和传输以及可视化等多方面提出了更高的要求。
三维激光扫描技术能够直接快速地获取实体表面信息。与传统信息获取技术相比，它具有非接触式工作、受外界因素干扰小、扫描速度快、精确度高、兼容性高等各种优点。将三维激光扫描技术引入古建筑的数字化保护中，能够为古建筑的保护修缮工作提供高精度、完整的空间数据信息。
在古建筑修缮领域，数字虚拟技术的应用日益普及，以点云数据为基础的数字建模为古建筑的勘查保护、虚拟修复和再现展示提供了完善的数据信息。利用三维激光扫描得到的点云数据，首先进行古建筑及周边环境的场景塑造，建立古建筑虚拟修复系统，对残损和病害的部分进行虚拟修复，为古建筑保护修缮方案的拟定提供数据支撑。还可以建立古建筑彩绘、壁画的色彩和图像的数据信息系统，通过古建筑彩绘和壁画修复软件以及古建筑彩绘和壁画配色软件的使用，对古建筑彩绘和壁画高效虚拟修复。
故宫-北院区御窑厂
Ⅱ. 历史文化名村名镇及传统村落保护背景简介
历史文化名镇名村是中华民族宝贵的文化资源和精神财富，加强历史文化名镇名村的保护和利用，对于研究我国不同地域历史村镇的传统风貌和建筑艺术，传承优秀文化，增强人民群众的民族文化认同感和自豪感，塑造村镇特色，促进村镇和谐发展具有重要意义。
传统村落是指村落形成较早，拥有较丰富的传统资源，具有一定历史、文化、科学、艺术、社会、经济价值，应予以保护的村落。我国传统文化的根基在农村，传统村落保留着丰富多彩的文化遗产，是承载和体现中华民族传统文明的重要载体。
开展历史文化名镇名村和传统村落测绘，是推动历史文化名镇名村和传统村落保护的重要手段，有利于进一步梳理历史文化资源，形成重要的第一手资料，为开展保护利用和活态传承打好基础。
晋建村函〔2022〕1178 号《山西省住房和城乡建设厅关于开展历史文化名镇名村和传统村落测绘试点的通知》
根据通知要求，在晋城和平遥、平定国家试点以及介休等 5 个省级试点，选择 10 个村（镇）开展历史文化名镇名村和传统村落测绘试点，形成测绘成果，编制测绘图集。
按照全面测绘、典型测绘、简略测绘等三种类型相结合的方式进行，完成总平面图、平面、立面、剖面、典型构件测绘，选择应用新测绘技术，形成总平面现状测绘图、平面现状测绘图、立面现状测绘图、剖面现状测绘图、典型构件大样图和传统建筑档案表。
Ⅲ. 智慧文博背景简介
随着国家政策鼓励博物馆将馆藏资源进行融合性的发展，提倡博物馆将数字技术作为文博事业发展的重要引擎。在发展博物馆文物保护与利用的同时，使其进一步满足人民对文博文化的需求，并尽力使其能够持续在公共文化服务中发挥基础性、关键性的作用。
利用计算机图形学技术构建的数字化展览馆，是一种三维互动体验方式。它无需投入巨资建立真实场馆。云展厅，是一个集视听影音、线上学习、资料查阅、交互体验于一体的综合展览，作为一个云端的学习参观平台，它打破时间与空间的限制，采用最新的三维建模技术，实现虚拟展馆的三维可视化，实现自动、手动漫游。
博物馆馆藏文物具有重要的研究价值和观赏价值，是一个国家科学和文化的历史沉淀，也是一个国家精神价值的直接体现。由于博物馆馆藏文物具有珍贵、精致的特点，在馆藏文物三维数字化保护过程中，对馆藏文物的纹理信息采集记录、数据分析应用尤为重要。在精细、繁多的数据面前，传统的数据记载方式在效率和精度上都很难满足馆藏文物对数据的需求。与传统的测量技术相比，三维扫描技术更加快速、有效，自动获取得到的数据误差值更低，且非接触式的数据获取方式有效减少了人为因素对馆藏文物的损坏。
将三维数字化技术应用在文物保护工作中，能够作为真实文物的副本保存，为文物保护研究建立完整、准确的数字档案。通过数字记录的方法为文物保护提供了检测和修复依据，并在已知数据的基础上重建已经不存在的或者被毁坏的历史遗迹，对流落到国外的文物进行数字复原，数据回归祖国。
此外，随着互联网技术的发展，“互联网+”与三维数据的应用，为文物的信息储存和展示形式提供了新方式。充分利用人工智能、VR技术等，以数据推动文物的数字化保护、多样化展示及博物馆业务管理的转型和升级。
Ⅰ. 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。
三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。应用扫描技术来测量古建筑的尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，古建筑结构和部件的三维测量，针对现有三维实物（样品或模型）在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。
Ⅱ. 近景/贴近摄影测量技术
近景摄影测量是利用对近距离 (一般在100米以内)非地形目标拍摄的图像,测定被摄目标几何特性的技术。数字近景摄影视觉测量是建立在数字成像、图像处理与识别以及精密测量原理基础上的新型工业现场三维精密测量技术；
贴近摄影测量是一种面向目标对象的摄影测量，利用目标的粗略模型生成精细拍摄的三维航迹，近距离贴近目标或者物体表面进行面向对象的飞行及摄影，加以适当角度的补拍，从而获取覆盖对象的毫米级分辨率影像，并通过摄影测量软件处理生成精细化三维重建。
贴近摄影测量之所以被称为介于二维对地正射摄影、三维倾斜摄影之外的第三种摄影测量方式，是因为贴近摄影测量是针对三维空间任意坡度、坡向的面进行摄影，而非对地观测，这是他们之间存在的根本差别。
Ⅲ. 倾斜摄影测量技术
倾斜摄影技术是通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型；
Ⅳ. 数据采集方式
Ⅴ. 逻辑架构及生产流程
Ⅰ. 点云数据在文博古建数字化中的应用
点云数据是三维激光扫描后得到的数据成果，点云数据是包含点的三维坐标及颜色属性的点集合，可以进行距离 、角度、体积、面积等各种测量工作。
在三维激光扫描工作结束后，首先要对点云数据进行处理，为后续的应用打好工作基础，包括点云坐标确立、去噪和滤波、数据拼接及点云封装等工作。基于点云数据的建模主要有多边形建模、矢量曲面模型建模、截面曲面建模以及复合建模四种方式。
现状正射点云图直接来源于扫描的点云数据，包含了建筑完整的几何信息，内部结构及周边的环境信息，无需数 据转换，非常适合古建筑现状的图纸记录。通过导入工程制图软件平台，还可以对点云数据进行标注及测量。
在以点云数据为基础所建立的三维空间模型中，可以采用多视角、动态交互的浏览方式，任意选择观察的位置以及视线的方向，随时进行剖切浏览，摆脱了以往利用二维图纸进行解读信息的局限性，对建筑的内部结构特征也能很准确地解读。在高精度扫描的数据中，对建筑细部、建筑色彩信息也能更直观地进行记录浏览。
三维扫描得到的点云数据可以用来分析建筑本体形变、建筑墙面及地面的整体平整度，实时监测建筑病害等。以预设的扫描测绘密度自动获取数以亿计的点位数据，然后通过视觉化表现手段直观显示出这些数值的变化关系，有效监测其变形范围及量级，以达到防灾减灾的目的。
以点云数据为基础的数字建模为古建筑的勘查保护、虚拟修复和再现展示提供了完善的数据信息。利用三维激光扫描得到的点云数据，首先进行古建筑及周边环境的场景塑造，建立古建筑虚拟修复系统，对残损和病害的部分进行虚拟修复，为古建筑保护修缮方案的指定提供数据支撑。还可以建立古建筑彩绘、壁画的色彩和图像的数据信息系统，通过古建筑彩绘和壁画修复软件乙级古建筑彩绘和壁画配色软件的试用，对古建筑彩绘和壁画高效虚拟修复；
基于点云的虚拟修复，可以对修复方案进行反复推敲，避免了因盲目修复对古建筑造成的不可逆转的伤害，同时也有利于修复成果进行直观的展示比较；
Ⅱ.倾斜模型在文博古建数字化中的应用
倾斜摄影建模是通过简单的照片生成具有高分辨率的真实三维模型，具有快速、简单、全自动、身临其境的实景真三维模型，广泛的数据源兼容性和优化的格式输出等优势。我司具备生产各类精度倾斜模型的能力。
单体化"是指每一个我们想要单独管理的对象，是一个个单独的、可以被选中的实体（Entity），可以附加属性，可以被查询统计等等。只有具备了"单体化"的能力，数据才可以被管理，而不仅仅是被用来查看。我司可根据客户需求，对倾斜数据进行单体化处理，实现用户对单体建筑的任意编辑功能。
古建筑具有独特的历史价值和艺术价值，数字化的古建筑三维模型可以减少人们对实物接触，方便用于虚拟展示，通过无人机(UAV)倾斜摄影测量方法则可以便捷地采集空中和近地面的影像。市场上常见的多旋翼无人机具有定点悬停、调节相机姿态等功能，拍摄影像的位置与视角可以通过人工或程序来控制，可以灵活根据建筑物的外形进行规划拍摄，然后利用成熟的摄影测量三维重建方法获取高质量三维模型。
Ⅲ. 人工精细模型在文博古建数字化中的应用
人工3D模型是通过3d max / SketchUp等三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型，在科学领域，将三维建模作为化合物的精确模型；在医疗行业，使用三维建模制作器官的精确模型；在电影行业，三维建模用于活动的人物、物体以及现实电影；在视频游戏产业，将三维建模作为计算机与视频游戏中的资源；在建筑业将三维建模用来展示提议的建筑物或者风景表现；在工程界将三维建模用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域。
中国古建筑是中华民族的珍贵文化遗产，在世界建筑领域中独树一帜。古建筑模型是古建筑文化的一个浓缩，也是对古建筑的优秀建筑空间、精巧的建筑结构和构件，以及所体现的社会文化的最直观表达；
古建筑人工精细模型可以方便的用于研究、传播这些建筑的价值，而减少对实物的人为损伤。数字化的三维建筑模型与虚拟现实技术结合，还可以用于旅游开发，进行虚拟展示；
精确的三维数字化模型中包含实物最准确的基础数据，可以替代实物，用于文物价值的研究，通过虚拟地复原建筑遗迹的原始面貌，动态模拟其由古至今的演变过程，为考古研究和旅游参观提供更为生动的信息表达方式；
在室内外三维模型生产方面，我们拥有独特优势，并建立了庞大的专属模型库。
Ⅰ.精度高
4.1 建筑分类处理保证采集数据精度：通过大规模、高要求的实际项目验证，总结完善了适用于中国古代木构建筑的三维信息采集技术标准，针对不同形制不同类型的古建筑事项相对应的扫描精度选取及点把控，确保点云的精度；
4.2 与传统工程图相结合：将三维扫描精度与传统工程图的对应比例关系相匹配。我们在大量对比实验的基础上只做了三维激光扫描精度与传统工程图比例的对应表，以便针对不同项目中对于建筑的不同精度级别及相应要求选择需要的扫描仪器来制定相应的扫描方案；
4.3 分级管理提高数据整合精度：针对院落范围、单体建筑、局部细节划分为上、中、下三层级数据进行管理，采用集中拼接重点建筑、总体把控院落质量、智能拼接加人工拼接的综合数据处理方式。
4.4 制作精度控制表保证精度：制作出了专门针对古建筑三维激光扫描的精度控制表。
Ⅱ.位置准
4.5 与传统GIS相结合提高精准度：所有数据采集成果均可导入GIS大地坐标系统，与传统测绘控制网络无缝对接，确保数据的精准度；
4.6 与无人机技术相结合提高精准度：结合无人机倾斜摄影测量技术，将无人机GPS信息导入到点云中，实现了点对点高精度的点云与GIS信息的完美匹配；
4.7 制作精准度矫正技术标准：通过大批量结合运用点云与GIS坐标项目的作业验证，总结并完善了针对古建筑三维信息数据采集的GIS地理嘻嘻精度校正技术与标准流程规范。
Ⅲ.效率快
4.8 优化技术方案提高效率与核算成本：通过大规模、高要求的实际项目验证，我们针对不同特点的中国古建筑结构优化了三维信息采集的布站方式、大大提高了三维激光数据采集的效率与成本核算问题。
4.9 自主研发设备实现全方位覆盖：自主研发了遥控高悬空臂设备，气炮设备，为高空屋檐数据采集和室内梁架结构数据采集提供了设施和安全保障，实现了点云数据全方位无死角覆盖；
4.10 不断吸收新技术提高工作效率：整合跟踪最新三维信息采集新技术及最前端的采集设备，并自主研发了数字成果压缩存储及调用技术，保证了数字成果的快速调用，提高了点云数据的易用性及未来应用的拓展性。
Ⅳ.多种成果转换及应用
我们将体量大的建筑点云分块封装并进行不同程度的去噪、平滑、调色等模型处理，对比处理后哪些模型的轮廓更容易区分，以此作为分块处理模块，输出模型。并将处理后的模型块进入PS等模型或出图软件进行最大DPI的出图，然后将分块出具模型的正摄图用PS结合起来，对比分析哪种模型更容易体现出其清晰的法线等信息，最后通过软件识别将其识别。
Ⅴ.特点及优势
平遥古城作为世界文化遗产，联合国教科文组织称其为“中国古代城市在明清时期的杰出范例，平遥古城保存了其所有特征。而且，在中国历史的发展中，为人们展示了一幅非同寻常的文化、社会、经济及宗教发展的完整画卷”。本次贴近摄影测量建模作业，主要针对平遥古城极具代表性的典型场景开展，包括平遥古城迎薰门城楼及左右外扩50米至两边敌楼、市楼、明清一条街等。
作业流程：
1.从无到有，采集粗模：采用经纬 M300 RTK 及 DJI P1，开启智能摆动拍摄模式，以 80 米的飞行高度采集测区整体范围的三维倾斜数据，并使用大疆智图生产测区的粗略三维模型；
2.由粗到细，精模航线规划：使用贴近摄影测量航线规划软件，基于测区粗模规划精细化航线，航线规划时将测区重点分为城墙、城楼、街道、市楼等模块；
3.数据采集：使用经纬 M300 RTK 搭载 DJI P1 与精灵4 RTK，将规划的贴近摄影测量航线导入并执行任务；针对城楼与市楼低矮内部细节以及街道檐下部分，使用精灵4 RTK 手动补拍；针对顶部，使用经纬 M300 RTK 搭载 DJI P1 飞行 40 米的高度，开启智能摆动拍摄模式采集倾斜数据。
4.数据处理：将采集到的 2 万多张照片导入大疆智图集群版建模，耗时约 24 小时完成模型重建。
精细化的三维模型为平遥古城的保护、修缮、研究及数字化存档工作，提供了完善的信息依据。
鹳雀楼位于山西省运城市境内的黄河岸畔。由于楼体壮观，结构奇特，气势雄伟，风景秀丽，前瞻中条太华山，下瞰巍巍黄河水，唐代诗人王之涣的千古绝唱《登鹳雀楼》“白日依山尽，黄河入海流。欲穷千里目，更上一层楼。”即诞生于此。
2015年初-2016年末，与北京工业大学城市建筑与规划学院/北京市历史建筑保护工程技术研究中心共同完成85处北京市级以上文保单位的1097座单体历史建筑的信息采集，是目前北京完成的规模最大的一次三维技术应用实践。
六和塔三维数字化扫描，历时六个月，与六和塔修缮工程同步进行。技术上采用三维激光扫描方式，采集过程中，共架设了527个采集站点，对六和塔的外部结构、内部结构包括明层、暗层全部进行了扫描。扫描采集原始点云数据为363G，总的点云量为230.299亿个点，总体拼接精度标准差为0.438。
杭州六和塔三维数字化扫描
山西地质博物馆室内三维导航
山西玖立信息科技股份有限公司
