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巴黎圣母院的激光扫描将成为重建关键,文物保护的数字化它靠谱

《测绘学报》

构建与学术的桥梁        拉近与权威的距离

大火中,巴黎圣母院尖顶被烧毁(图源:BBC)

当地时间15日晚,法国地标性建筑巴黎圣母院在大火中受损严重,全世界扼腕痛惜

 

然而值得庆幸的是,有人曾做了一件了不起的事情——为巴黎圣母院建造三维模型存档,这或将有助于这座人类文明建筑的灾后修复和重建。

 

这个人就是安德鲁·塔隆(Andrew Tallon),他生前是美国瓦萨学院(Vassar College)建筑与艺术史副教授。2015年,他对巴黎圣母院进行了激光束扫描,获取了其三维模型。

 

 

安德鲁·塔隆

塔隆把激光扫描仪安装在三脚架上,在圣母院的50多个位置搜集数据。他用激光束扫过教堂的每一个部分,激光打在建筑上,每束激光的测量结果以光点形式记录并展示。搜集完毕后,他把数以十亿计的光点放在三维图像里,画上线条,再和实地拍摄的全景照片结合,在图像中的立面上上色,最后加上光影效果,建立非常逼真准确的三维模型。

 

 

 

利用激光束扫描结果画出的圣母院三维图像

 

这样的三维模型对了解圣母院的内部结构有很大的帮助,而且可以达到前所未有的准确度,偏差大概只有五毫米左右。塔隆抽丝剥茧,揭开了隐藏在巴黎圣母院和其他中世纪建筑的秘密,带领我们一起重新认识它们的建造过程。塔隆的激光束扫描图显示,其实巴黎圣母院内的许多石柱并非笔直和对称排列,因为它们是围绕原有建筑建起来的。

 
 

火灾当晚,法国总统马克龙在现场表示将重建巴黎圣母院,巴黎圣母院的三维模型存档将成为重建的关键。

 

近些年,三维激光、无人机技术被越来越多地应用于文物保护中,比如古建筑、古城、雕塑、古墓等的数字化存档。

 

近日,CCTV13新闻频道也播出了一段布达拉宫建筑群的精细化测绘视频。这段视频是用无人机、三维激光扫描等最新技术、借助4000多个扫描点制作出来的,目的是更好地科学解读布达拉宫的藏式宫堡建筑群,从而更好地展开保护

用三维激光扫描古建筑、古村落、古墓等,其单点向扫描精度达毫米级,且扫描间距可达亚毫米级,因而能将复杂、不规则对象数据完整地采集到电脑中;同时,非接触的测量方式不会对扫描对象造成损伤,在技术层面上加强了被扫描对象的保护力度。因此,三维激光扫描技术用于文物保护具有适用性和可靠性。

 

韶关乳源云门寺景区

云门寺位于粤北乳源瑶族自治县城东北6公里的云门山下,是我国佛教禅宗五大支派之一云门宗的发祥地,也是全国重点寺庙之一。云门寺主要建筑有山门、天王殿、大雄宝殿、法堂、钟楼、禅堂、斋堂、教学楼、功德堂、延寿堂等。而本次项目主要针对天王殿及周边建筑地物进行激光扫描建模,制作出与实景还原的三维模型。

 
云门寺实景
 

三维激光扫站情况

 

云门寺三维激光点云图

 

云门寺三维模型图

 

九月九话重阳

对水坑古村落中的6栋具有代表性的古建筑进行三维扫描,获取完整高精度的古建三维点云,绘制古建各向立面图纸,以对古建现状作图纸资料档案保存。

作业前踩点
 
立面图
 
立面图
 

州盐宗

扬州虽是一座因盐而兴的城市,但盐宗庙的建立并不很早。清同治元年(1862),时任两淮盐运使的乔松年在泰州以六百缗钱购买画家顾坚之别墅,易名“小香岩”,后来又在其西侧将原明珠禅院改为“盐宗庙”,再把两者合并一处,建大门三楹、左右翼墙各一门。次年落成,乔松年亲撰《新建盐宗庙记》一文,镌碑嵌于庙内壁间。这是中国南方也是两淮盐区的第一座盐宗庙。此次作业以盐宗庙为试点,为扬州大范围古建进行保存与展示提供可参考的方案。

模型一角
 

盐宗庙模型图

 

深圳黄氏大宗祠

据记载,黄氏宗祠始建于南宋末期,已有800多年历史,是深圳最古老的宗祠之一,里面供奉着黄氏族人。黄氏族人祖籍福建,自元代后期迁入光明迳口,至今仅迳口村仍有138户黄姓人家。远观宗祠之全貌,顶有双龙戏珠之装饰,栩栩如生;梁有龙踞虎盘之画壁,庄严肃穆;柱有明清风韵之红墙,巍峨古朴。

明代石柱保存至今深圳最古老的宗祠之一,几经破坏,又经多次修复,但古祠基本保留了它的原貌。黄氏宗祠是现代文明和古代建筑的结合,需要好好保护。

黄氏宗祠点云图

黄氏宗祠点云图

 

沙鱼涌古村落改造

沙鱼涌位于葵涌土洋社区,背山面海,是深圳市确定的具有保护价值的古村之一。为打造沙鱼涌文化旅游景区,对片区的市政道路、管网、登山径、广场、渔民文化中心等配套设施进行建设和改造,并对村内建筑进行复古修缮和加固。

南方测绘三维激光技术团队受到委托,对古村落的建筑、道路及周边地形进行整体扫描,之后快速高效地进行点云数据细致的加工,为进一步地改造工作提供精确的基础数据及地形对比参考。

 

点云数据套合实测地形图效果

细部结构点云对比地形图,可直观清晰对比现状结构与留底地形图建筑结构变化

 

田庄古墓考古数字建档

田庄古墓位于曲阳县羊平镇田庄村东,为晚唐至五代时期贵族墓葬。墓葬坐北朝南,背山面水,为青砖结构,内部12个墓室相连,南北长66米,东西封土直径34米,其规模之庞大、结构之复杂实属全国罕见。考虑到该墓地学术意义重大,为了更好地保护遗迹信息,在项目中引入当前先进的三维激光扫描技术。

由于大墓的各个细节部位都很重要,尽可能地不留死角,在点云采集过程中,架站数面积全覆盖,获得了比较全面的资料。

 

单一颜色模式显示局部点云,可从宏观角度把握大墓的结构

具有纹理色彩的三维模型

不规则物体的处理情况

 

三维激光扫描与传统测量技术对比

1、 非接触测量

三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量,无需反射棱镜,对扫描目标物体不需进行任何表面处理,直接采集物体表面的三维数据,所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境(或柔性目标)及人员难以企及的情况,具有传统测量方式难以完成的技术优势。

 

2、数据采样率高、效率高

目前,采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数千点/秒,而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。传统方式测量一栋房屋需要一天的时间,三维激光测量一天可以测至少十栋房屋。可见采样速率和效率是传统测量方式难以比拟的。

 

3、主动发射扫描光源

三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源(激光),通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息,因此在扫描过程中,可以实现不受扫描环境的时间和空间的约束。

 

4、高分辨率、高精度

三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据,可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集,从而达到高分辨率的目的。

 

5、 数字化采集,兼容性好

三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号,具有全数字特征,易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能够与其它常用软件进行数据交换及共享。

 

6、可与GPS 系统配合使用

这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围,对信息的获取更加全面、准确。内置数码摄相机的使用,增强了彩色信息的采集,使扫描获取的目标信息更加全面。GPS 定位系统的应用,使得三维激光扫描技术的应用范围更加广泛,与工程的结合更加紧密,近一步提高了测量数据的准确性。

 

7、结构紧凑、防护能力强适合野外使用

目前常用的扫描设备一般具有体积小、重量轻、防水、防潮,对使用条件要求不高,环境适应能力强,适于野外使用。

 

 

三维激光扫描仪作为一种新的测量技术手段,应用是十分广泛的,目前已经应用比较成熟的领域有测绘、建筑、矿产、交通、林业、规划、文物保护等。在这些领域,南方测绘三维激光技术团队都积累了丰富的项目实践经验,形成了完整成熟的解决方案。