先农坛|古建筑|数字化|维护施工|初探分析范文

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［摘要］中国古建筑是中国文化的重要载体，随着时间的推移，许多大型的古建筑均受到了不同程度的变形和损坏，历史文化遗产的保护面临着严峻的形势。近些年来，随着数字仿真技术、测绘以及地理信息系统等相关技术的迅猛发展，古建筑数字化的管理正逐渐成为人类社会关注的焦点。但目前国内外对此类古建筑工作的相关研究还多集中在古建筑的测绘与恢复方法上，对古建数字化展示系统的研究较少，以先农坛为例，利用三维激光以及Skyline技术，对先农坛太岁殿进行数字化并建立三维展示平台。

［关键词］三维激光扫描；数字化建设；三维展示平台

目前，在我国文物领域，应用虚拟仿真技术进行数字化保护管理，体现以下趋势：有效保护、研究与开发文物资源迫在眉睫，将计算机技术与传统文物工作相结合，对文物实施数字化保存、重现和修复。三维激光扫描技术具有精准性、非接触性以及快速性等特点，引入三维激光扫描技术与虚拟现实技术用于保护中国古建筑成为一种客观的需求，现阶段利用此项技术还是较少。以先农坛例，利用三维激光扫描技术，对先农坛太岁殿进行扫描，得到点云数据，通过对点云数据的处理，在虚拟现实软件中构建出精确的虚拟先农坛太岁殿，并利用Skyline系统，为其搭建一个系统展示平台。

1工程概况

先农坛位于北京市宣武区永定门内大街西侧，始建于公元1420年。建筑面积1118.2m2，通面阔七间51.35m，明间、稍间前置六阶台阶，进深三间（12椽13檩）25.7m，其木构架结构形式基本与故宫太和殿上层类似，彻上明造，屋面单檐歇山式，黑琉璃瓦绿剪边，柱础石为素面覆盆式，檐柱高6.2m，明间及次间补间斗硕六攒，稍间及尽间为四攒，四周共用柱头斗硕二十二攒（包括四攒转角斗硕），补间斗硕九十六攒。殿宇前檐七间各开四扇格扇门，其余三面砌墙，格扇为四抹头，菱花为三交六碗。殿内明间北部有神龛，无神像。拜殿及太岁殿均用金龙和玺彩绘。

2数字化保护管理意义

（1）提高古建筑的展出效果。我国当前古建筑群庞大，但受技术和硬件的限制，能数字仿真的较少，而通过三维激光虚拟现实技术，可将古建筑制作成三维数字化模型，来展示古建筑的原貌。用户可通过网络进行古建筑的虚拟漫游和了解相关信息，极大地激发人们的参观兴趣。（2）提高文物保护技术手段。对于木结构的古建筑来说，易出现起皮、掉色、剥落等现象，对于其以后的修复较困难，利用三维激光数字仿真技术，可将原有的古建筑影像保存下来，为后期修复提供可靠的数据支持。（3）古建筑三维演示系统可实现对外宣传功能，提高古建筑的知名度，同时可宣传古建筑文化历史，让游客在远程浏览古建筑原貌，有身临其境之感。（4）古建筑三维演示系统也为考古学家研究提供了准确而直观的数据支持。

3古建筑三维精细模型的构建

3.1基于Cyclone软件的点云数据预处理

3.1.1点云数据的扫描

建立先农坛太岁殿的三维模型需获得空间数据信息。空间数据的获取将采用三维激光扫描仪对建筑物进行扫描。由于太岁殿周围环境遮挡以及三维激光扫描仪器的特性，无法1个测站获得整个建筑的点云数据。采用多站扫描获取建筑物的整体信息，再将多站数据进行配准转换到统一坐标系，把多站数据云集到一起，形成太岁殿整体的点云数据模型。

3.1.2扫描数据配准的具体实施过程

（1）运行Cyclone。（2）右键单击SERVERS打开Servers的ADD菜单，输入本地计算机名（Richard），点击ADD后创建完服务器。同样步骤右击数据库GIS04单击Database菜单的对话框里输入DatabaseName和数据库存储路径，然后右击shitang导入数据菜单import找到需导入的文件后选择Single，MergedCloud项点击OK导入，可连续导入几个数据。（3）控制点配准法的操作步骤：右击shitang菜单，新建配准窗口：Create->Registration后取名为“Registration56”，双击该项目弹出配准操作窗口：Registration控制点配准。点击AddScanWorld图标或点击ScanWorld菜单中选择AddScanWorld项导入2站数据，需包括1个基站数据，其他各站数据都往其上拼接，SetHomeScanWorld用来选定基站（点击SetHomeScanWorld图标或点击ScanWorld菜单中选择SetHomeScanWorld项）。接下来点击Auto-AddConstraint图标或点击Constraint菜单在级连菜单中选择Auto-AddConstraint项自动加入各个标靶控制点数据，接着点击Register图标按标靶点坐标配准，此时可根据标靶控制点进行匹配调整。精度要求达到后，锁定配准结果和创建1个已配准的ScanWorld，点击CreateScanWorld/FreezeRegistration图标即完成此功能。最后从已配准好的ScanWorld中创建ModelSpaces即可。

3.2基于AutoCAD的平、立、剖线画图

具体的操作过程如下：（1）在Cyclone里截出1个薄薄的一面点云，导出成xyz文件格式。（2）因为在Cyclone里导出的点云太密，并且数据量太大，所以把xyz数据导入Geomagic里，对其进行抽稀。再将其保存成dxf文件格式。（3）在AutoCAD中打开dxf文件，对这些点云的样式，画线画图。因点云数据的尺寸和物体实际尺寸差1000倍，所以最后用缩放命令将线图扩大1000倍，保存成dwg文件。

3.3古建筑实体建模

按照先农坛的结构特点和3DSMAX建模的基本原则，采用由整体到局部、从下到上、由粗到精的顺序对先农坛太岁殿进行建模。具体包括以下步骤。（1）在AutoCAD中，将所需的太岁殿各部位现状图提取出来。将提取出来各部位图形另存为一个新的.dwg文件，分块导入文件可降低机器的运行速度和死机。（2）在3DSMAX中导入太岁殿各部位.dwg文件。（3）利用太岁殿导入的数据，在3DSMAX中对其建立三维模型。由于古建筑的结构形式，建模时需按一定顺序，先建台基，然后建墙柱以及梁架，最后建造屋面。太岁殿的主体结构建成后，就对细部部分建模，如太岁殿的门和窗、柱、斗拱等。（4）为太岁殿三维模型进行纹理映射。纹理材质对于一个建筑物的逼真显示是非常重要的。高分辨率的纹理能产生逼真的视觉效果但同时增加了计算机运行的负担，而采用合适分辨率能减少模型的几何信息并同时能产生较好的视觉效果。在模型完成后用数码相机从先农坛实地拍摄照片，对照片进行处理并保存为纹理图片，在3DSMAX中采用合适的贴图方法和贴图坐标，进而对太岁殿各构件进行映射。农坛最后完成的三维模型，如图1所示。

4基于Skyline系统的展示平台

4.1系统概述

虚拟先农坛太岁殿系统的集成将在Skyline软件的TerraExplorer模块里进行，信息数据集成的目的是生成用于网络发布的飞行文件。首先在TerraExplorer中新建虚拟先农坛项目，导入虚拟地表模型，然后进行虚拟先农坛太岁殿系统的集成操作。

4.1.1数据的准备

（1）太岁殿地表模型数据的准备，利用TerraBuilder建立三维地表模型，其中，影像图从GoogleEarth截取。（2）建立3DSMAX的精细模型转化成Skyline软件认可的xpl文件格式。（3）收集先农坛文献资料，正射影像图，为系统进行信息的管理。

4.1.2先农坛地表模型文件的生成

先农坛三维地表模型可对先农坛真实地表的模拟，真实反映先农坛的地形起伏、地面位置等实际情况。先农坛三维地表模型是通过数字正射影像和高程模型生成，具体操作将通过Skyline软件的TerraBuilder模块来完成，TerraBuilder可加载多种不同格式、不同分辨率的地表数据，形成所需的三维地表数据模型。

4.1.3定制先农坛系统信息窗

Skyline软件的信息窗是显示工程中所有对象的窗口，在信息窗中，所有项目要素信息是以信息树的方式列出。通过信息窗，可快速浏览项目中包含的每一个对象要素，通过信息窗的操作可控制三维浏览窗口显示的内容，实现对改项目的统筹管理。先农坛太岁殿的信息窗包括先农坛项目的概括，先农坛太岁殿各个立面的正射影像图，先农坛太岁殿的精细模型，以及一些辅助设施如树木、建筑物、文字说明等。

4.1.4系统对象属性管理

在先农坛太岁殿系统中，每个空间数据对象都有自己的属性信息，详细地描述对象空间特征信息以外的其他目标特性，包括对象的类别以及功能等详细信息。先农坛太岁殿系统要实现的目标之一是对空间对象的属性信息进行管理。在Skyline软件中，属性信息的表达是通过鼠标单击对象进行响应，在先农坛太岁殿系统中，对象的属性信息仅为文字信息，可以通过属性表来实现。

4.1.5生成可发布的飞行文件

当全部的先农坛景观模型建立完成且属性信息也建立完毕后，就可生成可发布的飞行文件。飞行文件包含先农坛工程设置和工程内容。

4.2系统开发

先农坛系统需对系统的界面以及功能进行设计，以满足系统后期应用的需求，实现网络系统的发布。TerraExplorerAPI提供了一套强大的接口用来集成TerraExplorer、TerraExplorerPro和用户自定义应用。TerraExplorer同时提供一套ActiveX控件，可将3D窗口、信息树以及导航图以控件的方式嵌入用户自定义的界面中。

4.2.1通过C++进行系统二次开发的实施

利用C++进行系统的二次开发，形成一个可执行的小程序，方便访问者在没有相关软件的情况下打开、浏览和查阅。

4.2.2二次开发应用程序的展示

（1）应用程序的菜单栏主要包括文件、编辑、视图、导航、图层、创建、测量、工具，并且每个菜单下又包括各自的子菜单，可通过这些选项对先农坛系统进行操作。（2）在导航栏里有地下模式、缩放、指北、环绕飞行，通过这些菜单可浏览三维模型的不同视角。（3）在测量栏里主要有水平测量、垂直测量、面积测量、等高线图菜单，通过这些可测量出先农坛太岁殿的各部分数据。

5结束语

（1）提出了一套完整的古建筑三维展示的解决方案。介绍了三维建模和展示平台的研究现状；（2）以COM和DEM为数据源，以Skyline系列软件为平台，完成了先农坛地表建模；（3）与三维激光技术结合3DSMAX软件建立先农坛太岁殿精细模型；（4）利用Skyline软件提供的开发包实现了先农坛三维展示系统。采用三维激光扫描技术与虚拟现实技术对古建筑实施保护，既适合我国国情又能满足多种需要，对于提高古建筑数字化建设速度具有重要的示范意义和指导作用。

参考文献

[1]王摄菲，姚俊峰.仿古建筑（南普陀寺）三维重建方法研究[J].微计算机信息，2009，25（7）：191–193.

[2]常德海.基于Skyline的虚拟校园建设理论与方法研究[D].开封：河南大学，2009.

作者：孙雪 单位：北京住总集团有限责任公司工程总承包部