軍事鐳射技術論文

　　隨著我國技術的發展，鐳射技術得到不斷髮展，應用範圍日益廣泛。下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　鐳射遙感技術

　　摘要：的 應用 是日前古 建築和 歷史 街區保護的新契機。本文首先介紹了的原理和應用現狀;然後重點闡述了基於的古建築保護，包括：古建築量測、古建築三維重建和基於三維重建古建築保護應用;並闡述了基於鐳射資料的歷史街區三維重建及基於重建的歷史街區保護應用;最後 分析 了在古建築與歷史街區保護中的應用前景和亟待解決的 問題 。

　　關鍵詞：; 古建築保護; 歷史街區保護; 三維重建

　　Abstract：Nowadays, the application of laser remote sensing is a great chance for protecting ancient architectures and historic districts. This paper introduces the principles and applications of laser remote sensing technology; then it focuses on the laser-based of ancient architectures: measurement, 3D reconstruction and the application of protecting ancient architectures based on 3D reconstruction; And it expounds on the laser-based 3D reconstruction of historic districts and the application of protecting and redeveloping historical districts; Finally, it analyses the prospects and problems that need urgent solution of the protection of ancient architectures and historic districts based on the laser remote sensing technology.

　　Key words：laser remote sensing; protection ancient architecture; historic district; 3D reconstruction

　　城市古建築及歷史街區延續了城市歷史文脈，是城市根源的具體體現。隨著 經濟 社會 的 發展 ，必須採取積極的手段進行保護、利用古建築及歷史街區。保護和利用過程需要對古建築進行維護、整理或修復，同時也需要保護或恢復歷史街區的空間格局與尺度。國家重大古建築在大規模修復前要求進行精確的測繪 工作，以取得較完備的 科學 記錄檔案，為古建築規劃保護和修復提供第一手資料，同時也是 研究 中國 古建築史和建築 理論 的重要資料[1]。因而對於保護、利用古建築及歷史街區，測繪和記錄兩者的完備資料是最為主要的。

　　1的介入

　　傳統的由建築師手繪的結構圖和由地面近景攝影測量 方法 測出的結構圖都能夠表達建築的關鍵部位和整體結構，但由於技術手段的侷限，難以對古建築進行快速測繪和對整體立體空間進行清晰的表達。據文物部門 統計，我國 目前 被列入保護範圍的古建築群有近30萬處，古建築的保護、搶救及修復的工作量非常大，而傳統的建築測繪和資料整理的方法和技術手段遠遠不能滿足古建築保護的實際需要。

　　新型感測器——地面鐳射掃描器和配套的專業數碼相機融合了鐳射掃描及遙感等技術，可以同時獲取空間三維點雲***Point cloud***和彩色數字影象***Color imagery***兩種資料，掃描點空間定位精度達到5~10mm的掃描精度，使該項技術成為歐美等國在高效率空間資料獲取方面的研究 熱點。近年歐美等地應用涉及城市規劃、資源調查、災害 管理、工程設計及國防等方面，特別在城市三維景觀、古建重建、虛擬現實與模擬等方面。

　　鐳射掃描技術可以快速重構整個建築的全方位立體空間，完整描述建築物的每一個關鍵要素，因此可以為古建築保護與更新提供真實準確的三維模型。保護方案依據真三維模型來制定，不僅提高工作效率，而且修復 計劃的精細程度和表現效果大為提高。因此，利用地面鐳射掃描器進行古建築和歷史街區的保護具有重要現實意義，也是一項高 科技 的 文化工程。

　　2的應用現狀

　　2.1三維鐳射影像掃描技術原理

　　本文所提的特指三維鐳射影像掃描技術，三維鐳射影像掃描技術又稱“實景複製技術”，它利用三維地面鐳射掃描器可以深入到任何複雜的現場 環境中進行掃描操作，並直接將各種實體的三維資料完整地採集到電腦中，進而快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種製圖資料, 同時, 它所採集的三維鐳射點雲資料還可進行各種後處理工作***如: 測繪、計量、分析、模擬、模擬、展示、監測、虛擬現實等*** [2]。所有采集的三維點雲資料及三維建模資料都可以通過標準介面格式轉換給各種工程 軟體直接使用。

　　在三維鐳射影像掃描器所獲資料組成的立體模型上可以非常精確地量測出建築物及物體的尺寸，完全可以代替傳統的測量方式。三維鐳射影像掃描器的單點精度，一般可以達到毫米級，這對於古代建築物的幾十米體量來說，精度已經夠用，並且它建模以後的量測精度不比傳統測量方法差[2]。三維鐳射掃描最大的意義在於效率高，鐳射掃描內外業所需時間往往只有傳統方法測量的1/20。另外傳統方法只測到了物體部分點的資料，而鐳射掃描則測量到了物體的全部細節。

　　2.2鐳射遙感應用現狀

　　鐳射遙感應用範圍非常廣泛，主要包括對地形、建築物以及其他物件進行高精度測量。

　　2.2.1帶狀地形測圖資料採集

　　地面三維鐳射影像掃描器可進行野外區域性帶狀地形區域分段掃描。在具有一定重複掃描區域內，進行三維影像拼接和合並生成帶狀影像圖。通過少量的測量控制點轉換到國家或城市座標系中，用地形和地物的三維點雲資料建立模型，生成帶狀地形圖。對於鐵路、公路、大江大渠兩岸的區域性不規則帶狀地形圖測量，較常規測量速度快、精度高[3]。

　　2.2.2建立高精度的數字地面模型和城市模型

　　三維鐳射掃描影像資料作為GIS 系統和資料庫更新的重要來源。採集的三維點雲資料經過拼接和合並後，進行資料預處理剔除粗差資料，運用資料濾波和分類演算法獲得地面高程資料以及地物資料。地面高程資料用於建立高精度的數字地面模型，地物資料經提取和目標識別處理可實現城市三維模型的建立。

　　2.2.3古文物建築物測量及逆向工程應用

　　地面三維鐳射影像掃描技術可為三維數字化設計、三維測量及逆向工程、快速模具製造等相關技術方面提供服務。能夠快速高精度地完成複雜的古建築結構測量，大型景觀***如建造大佛景觀***三維數字設計與模板製作。

　　1999年，來自斯坦福大學和華盛頓大學的一個30人小組使用三維鐳射掃描系統對義大利佛羅倫薩的米開朗基羅的大衛雕像進行了測量，近距離目標點的測量精度達到了亞毫米級[4]。舉世聞名的 中國 山西大同雲岡石窟，時下正由文物 管理專家展開三維鐳射測繪，並繪製精確的“三維立面圖”，以便對五萬餘尊千年古佛像進行保護和修復。正在進行的北京故宮修復 工作中運用了多項 現代 測繪技術，其中包括鐳射掃描，它具有快速、精確、多方位的特點，為古 建築測繪探索新的途徑。

　　2.2.4其它方面的 應用

　　此外，地面三維鐳射影像掃描器可應用於複雜 工業 裝置的測量與建模、房屋建模與房產圖測量、工程建築物變形監測、災害三維實時監測、事故災害評估、礦山及隧道測量和大型水利工程安全監測與 研究 等方面[3]。

　　3基於鐳射資料的古建築保護應用

　　3.1古建築量測

　　目前 很多古代建築缺少可用的CAD資料，即使建立低水平的細節CAD模型，也需要藉助測量和其他 方法 ，必須進行大量耗時的，成本高昂的，而且非常困難的測量，更不用說製作正射影像了。數字正射影像是一種既具有像片影像特徵同時又具有線劃地圖數學、幾何與製圖特徵的圖種。由於其包含的資訊豐富、直觀性強，具有可量測性，因而受到人們的廣泛關注[5]。

　　採用三維鐳射影像掃描技術，能在不損傷建築物的條件下，快速採集古建築物外部表面的精確資料。通過使用 軟體，可以快速地為掃描獲得的點雲賦予相應的彩色資訊，再經過加工便製作成正射影像，向用戶展示一個完全的實景彩色影象。如圖1所示。相對於以往近景攝影來說，正射影像具有更為精確的可量測性，古建築設計和保護人員可以精確對門、窗、柱、樑等構件進行測量，如圖2所示。藉助CAD便可以製作出用於施工的CAD資料圖，如圖3所示。

　　3.2古建築三維重建

　　古建築三維重建的關鍵 問題 主要包括五個方面的因素，其中兩點直接 影響 到古建築三維重建的真實性[6]：① CAD木構件數本身存在的問題，CAD木構件模型是早期利用AutoCAD軟體建立的線框圖，由於線框模型只有點和直線段，沒有給出模型的表面資訊，因此無法得到有關表面屬性的拓撲資訊和幾何資訊，無法得到正確的幾何模型資訊化成為古建築三維重建的關鍵問題所在;② 紋理材質的表現，紋理和材質的對映除了能提供逼真的視覺感受以外，還能在一定程度上展現建築物的風格。古建築除了其造型獨特之外，其色彩裝飾的運用也是一大特色：古代匠師們根據色彩對人們生理和 心理所起的作用，採用色彩明暗的對比和冷暖色調調和的手法來營造各種不同的色彩 環境。古建築物這種複雜的色彩組合環境不可避免地帶來了三維模型重建過程中紋理和材質對映的難度。

　　而基於鐳射資料的古建築三維重構就是以古建築木構架體系為知識體系，實現“古建築的數字化”，在 計算 機環境下從原有的無規則點雲資料中高精度提取古建築的表面特徵，利用規則的形狀實現模型的表面重建，再現實際古建築的立體輪廓和真實紋理，完成複雜古建真三維的幾何表達，使得古建築在三維表達上完全可以避免以上提到的兩個問題。所以圖4所示為基於三維鐳射掃描資料進行三維重建的福州市孔廟三維模型。

　　另外從微觀上來看，古建築還包含一些具有表面形態豐富多彩的 藝術 品，如石雕、磚雕、木雕、彩畫等，這部分的重建由於形態各異，在重建方面其對精確度和色彩真實性的要求更為嚴格，以往的三維重建技術手法根本難以滿足其要求，而利用三維鐳射影像掃描技術獲取到的鐳射資料無論在精確度還是在色彩真實性上都可以用於藝術品的精細重建。在著名的米開朗基羅專案中，鐳射掃描可以精確地得到雕像的每個細節，目標點的距離測量精度實際達到了±0.25mm，另外還拍攝了7000幅的彩色數碼相片用於渲染貼圖，最終的大衛雕像模型包含了20億個多邊形，其模型採用高密度的Mesh模型真實地表現建築物中藝術品細膩的形態[4]。

　　3.3基於鐳射資料的古建築保護應用

　　通過對古建築進行量測和三維重構，古建築保護利用可以有以下幾個方面：

　　3.3.1對細部和裝飾殘缺的或已經破壞的古建築進行復原

　　利用形狀匹配技術，通過三維鐳射裝置將文物數字化，通過空間曲面輪廓線的提取，並根據輪廓線的匹配結果可實現殘損文物的拼接復原。主要由曲面模型的匹配拼接、三維曲面模型的融合和曲面的三維編輯，構造自動拼接與手工調整相結合的文物復原過程模型，最後將三維 計算機模型送入快速成型裝置復原微縮建築進行實體檢查，為文物研究及文物保護提供準確的 科學 資料。

　　3.3.2對典型建築構件、營造技術或法式進行 分析 與剖視

　　對臺基、石雕、門窗、柱、柱礎、屋簷、斗拱、樑、檁、屋頂等典型建築構件進行分析、剖視、建模，及搭建過程的演示。

　　4基於鐳射資料的 歷史 街區三維重建

　　基於鐳射資料的歷史街區三維重建主要是對歷史街區進行特徵分析，屋頂、牆體、街道等要素的重建。

　　4.1三維重建必要性

　　歷史街區保護的原則之一：“原真性”與“可讀性”相結合。要保持或恢復街區的傳統風貌，“原真性”是歷史街區保護與更新的一個首要原則。為使街區恢復“原汁原味”，三維鐳射影像掃描技術可以進行充分地現場測繪，並可以獲取詳細的照片，然後按照“整舊如故，以存其真”的原則，依據每一幢建築不同的建造年代、建築風貌及建築質量就可以進行三維重建，從而達到保護和修繕的目的。另外基於鐳射資料的歷史街區三維重建可以快速地表達一個完整而具有特色的空間形態，使“可讀性”成為可能。

　　4.2基於鐳射資料的歷史街區三維重建

　　傳統的用於街區建築物批量建模的方法有兩類：一類是採用商品化建模軟體進行建模，另一類是根據採集得到的觀測資料進行建模[7]。即：① 採用商品化建模軟體的建模方法是利用一些專門用於建模的商品化軟體***如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等***，基於原有的CAD設計圖紙和資料，利用AutoCAD+3DS軟體建模，最後通過函式介面讀入程式中，從而能夠真實表達建築物內部的細節特徵。這些檔案中已將模型剖分為空間三角網，我們只需將這組資料以一定的比例、角度在通過旋轉、平移、縮放在空間座標系中定位，同時到實地拍攝建築物的影像，運用影象處理軟體製作出建築物的表面紋理，貼附於模型之上，從而實現建築物模型的重建。② 三維幾何自主建模這種建模方法是對建築物進行三維幾何表示，它可以看作是從實際三維物體到物體模型的映像，但是目前這些重建方法一是建模精確不高，二是建模的工作量大。

　　基於鐳射資料歷史街區的三維重建主要是利用現有的鐳射點雲資料快速地提取向量化的建築群模型，是工作量和模型精準度都優於傳統的建模方法，目前國外很多學者在對基於鐳射的建築物模型自動提取的研究做深入的研究，並取得一定成果，這為歷史街區三維重建提供了極大的便利。建築物模型自動提取主要包括：①獲取建築物的近似大小***長、寬、高***;②區分出平頂和尖頂房屋;③區分出建築物是矩形、T、L、U 和十字形狀;④獲得主要的屋頂面的個數和形狀;⑤ 檢測並分離距離較近的建築物;⑥ 清除屋頂面上的擾動或者噪音***包括天窗和煙筒***;⑦ 檢測出屋頂上的小建築並將他們合為一體[8]。圖5是福州市三坊七巷歷史保護街區現場測繪的鐳射點雲掃描後恢復的三維場景。

　　4.3 歷史 街區三維重建的 應用

　　4.3.1提高歷史街區保護與更新中的公眾參與程度

　　縱觀歷史街區保護與更新的 理論 和 實踐的 發展 過程，可以看出，歷史街區的保護更新離不開生活在其中的公眾的參與和支援，歷史街區的改造和公眾的參與就像“魚和水”的關係一樣，是相互依賴、共同生長和發展的。當今歷史街區保護更新的發展趨勢也漸漸向公眾參與的方向發展，小規模改造、“微迴圈”式的改造都離不開公眾全方位的參與和支援。三維重建後的虛擬歷史街區將繼續秉承虛擬現實的優勢，增強公眾對改造后街區在感官上的認識，從而提高歷史街區保護與更新中的公眾參與程度。

　　4.3.2 多種歷史 建築要素的比較以及綜合或專項評價

　　三維重建後，通過搜尋出歷史建築要素的邊界，求出輪廓線，然後將 研究 物件與建築相簿中不同歷史年代對應元素進行比較，便可作出評價和結論。

　　4.3.3對木構做法、建築格局進行深度 分析

　　建築格局比較複雜，主要有庭院式佈局***廊院式、合院式***;非庭院式佈局***貫聯式佈局、聯排式佈局、散點式佈局***。通過三維重建，搜尋出所有建築的邊界、中心、法線方向，最後由專家根據 自然 環境、風水、民俗等進行評價，並做出結論。

　　總之，通過對歷史街區的特徵著手分析，如：①有序的魚骨狀街坊格局;②連綿起伏的屋脊，坡屋頂構築的天際輪廓線;③街巷口門拱門樓、粉牆灰瓦、朱門雨簷門斗、條石路面等獨特內涵構成的連續坊巷介面;④是組合多進式、前堂後寢邊花廳式的平面佈局;⑤是“觀音兜”式封火牆、夯土防火牆、飛簷翹角等牆式;⑥是以石、土、磚、木等的建築材質。這些特徵，極大地優化了所得的鐳射資料，為歷史街區三維重建及肌理分析打下了良好的基礎。

　　5前景及存在 問題

　　5.1前景

　　5.1.1潛在使用者

　　國家建設部已經正式批准了100餘座歷史 文化名城，其中絕大部分都存在古建築的保護與利用問題，如北京的故宮、福州的三坊七巷等。據文物部門 統計，我國 目前 被列入保護範圍的古建築群有近30萬處。利用鐳射掃描技術快速構建古建築三維模型的技術 方法 ，具有重要的理論意義和應用價值。各歷史文化名城的規劃建設部門和文物保護單位都將是該應用的潛在使用者。

　　5.1.2市場前景

　　隨著鐳射掃描硬體 軟體價效比的不斷提升，古建築空間結構的快速三維重構技術將受到各類使用者的青睞。已修復完成的地區可以利用該技術建立歷史街區的完整三維虛擬模型，用於展示和推廣***包括 網路 上的推廣***;尚未修復的地區在建立三維虛擬模型之後，可以利用三維設計CAD軟體對修復 工作進行方案設計，從而顯著提高工作效率。因此，該技術成果將具有良好的市場前景。

　　5.1.3 經濟 效益及 社會 作用

　　由於存在較大的潛在市場，成果將會產生良好的經濟效益。由此帶來的城市歷史文脈的保留與延續，則有利於提升城市的品質，激發城市居民的歸屬感和自豪感，從而產生積極的社會意義。

　　5.2存在的問題

　　雖然已經被廣泛地用於古建築物的重建工作中，但是仍然存在很多的問題需要解決。各種普通的特徵提取與處理演算法直接應用於古建築物重建中還有一定距離，自動化程度較低是目前困擾實際應用的一個重要難題，也是日後該應用研究力求解決的重要問題。

　　5.2.1 三維點雲資料特徵檢測。由於建築物年代久遠、表面粗糙，給特徵檢測中的閾值設定帶來了困難;另外，古建築物的結構複雜，表面形狀多變，難以用一種或幾種形狀表達。此外，在三維空間下的特徵檢測本身就比較複雜。

　　5.2.2古建築物模型重建。古建築物重建過程中需要涉及到具有規則幾何形狀和任意形態的兩種型別的部件，如何界定並分離這兩種部件是比較困難的工作。由多個簡單幾何形體構成複雜結構的識別與重建也是十分複雜，一方面幾何的複雜性增加了特徵檢測的不可靠性，另一方面，幾何的複雜性也給結構的重建和表達帶來了困難。

　　5.2.3古建築物紋理的提取

　　紋理可以充分表現建築物的光影資訊，使結果更加真實。正常的紋理產生可以通過提取每一個部件的紋理，使用多站點下紋理資料的融合實現，但是融合過程中如何選擇最優的規則是一個技術難點。另外，當紋理缺失時，通過紋理的近似程度，從已有的資料中尋找近似紋理資料完成紋理缺失區域的補充是非常複雜的問題。

　　參考 文獻 ：

　　[1] 餘明，丁辰，劉長征，過靜珺. 北京故宮修復測繪研究[J]. 測繪通報，2004***4***:11-13.

　　[2] 周克勤，許志剛，宇文仲. 三維鐳射影像掃描技術在古建測繪與保護中的應用. 工程勘察，2004***5*** :43-46.

　　[3] 鄭德華，雷偉剛. 地面三維鐳射影像掃描測量技術[J]. 鐵路航測，2003***2*** :26-28.

　　[4] 張遠智，胡廣洋，劉玉彤，王慶洲. 基於工程應用的3維鐳射掃描系統[J]. 測繪通報，2002***1*** :34-36.

　　[5] 萬霞，酈淑俊，王朝暉. 一種快速的正射影像製作方法[J]. 現代 測繪，2006，29***2***:34-35.

　　[6] 夏慧瓊，朱慶，張葉廷，龔俊，杜志強. 基於CAD與GIS整合的仿唐古建築景觀的三維重建方法[J]. 武漢大學學報*** 工學版***，2005，38***5***:114-119.

　　[7] 劉立娜. 虛擬城市建設中建模及視覺化的研究與實踐[D]. 中國 人民解放軍資訊工程大學碩士 論文，2005:33-36.

　　[8] 黃先鋒. 利用機載LIDAR資料重建3D建築物模型的關鍵技術研究[D]. 武漢大學博士論文，2006:5-6.

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