丛晓丹，姜　洋，吴　冈，周钰琢，赵钰哲

多源数据融合的历史建筑三维重建方法

丛晓丹1，2，姜洋2，3，吴冈1，2，周钰琢1，4，赵钰哲1，4

（1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150000；3.黑龙江科学编辑部，哈尔滨 150090；4.黑龙江省自动化系统工程有限公司，哈尔滨150090）

历史建筑可以反映出一座城市的历史风貌和地方特色，具有很高的历史、社会和艺术价值。本文提出了一种采用多类型三维扫描设备，实现对历史建筑外围环境和内部房间结构扫描的三维重建方法，解决了单一扫描方式无法兼顾建筑外部庞大的数据量和内部高精度细节的问题，并将这种三维重建方法运用到对革命领袖视察黑龙江纪念馆的建模。

多源数据融合；历史建筑；三维重建；三维激光扫描

历史建筑是广义的城市历史文化遗产的组成部分，它从不同侧面反映了各个历史时期人类的活动情况。但经过多年社会环境变迁，一些历史建筑已经变得残破模糊。想要全面地保护、传承历史建筑的真实历史信息和价值，就必须对其建筑主体结构和内外人文、自然环境一同保护。现有的建筑保护大多对建筑主体进行重建，而没有考虑建筑内部构造人文特色［1-3］。本文采用Nova MS50全站扫描仪、MetraSCAN 3D和Go. SCAN 3D配合扫描［4］，对革命领袖视察黑龙江纪念馆建筑内外进行高精度重建，获得其三维建筑模型。

1　三维数据采集

由于建筑物内外表面大小、形状、遮挡、精细程度不同，本研究首次尝试应用多种类型的三维扫描、测量设备对不同区域选择不同的精度进行扫描，以涵盖建筑所有表面。依照扫描结果的细节、准确性和可靠性可以得到数据源等级如图1所示。

图1　不同等级扫描数据Fig.1　Scanning data of different levels

对建筑的平面图进行立体拉伸，确定平面形状和墙面的比例关系，可以得到建筑的立体框架。但不能反映建筑完成后的年代变化，可以作为扫描盲区的补充。Nova MS50全站扫描仪可以在300m范围内，以每秒1 000个点速率，快速获得大量的扫描数据。适合获取建筑外形整体模型。1mm的扫描精度，保证扫描数据精确可靠。

MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D扫描仪采用三角测量法，扫描精度可达到0.1mm，而且不需任何参照标定点，适用于对建筑内部雕花内饰进行精确扫描。

2　三维模型重建

2.1数据表面重建

由于建筑本身空间形态复杂互有遮挡，采用Nova MS50全站扫描仪对其进行扫描时，需要建立多个站点完成点云获取。将多个站点坐标定位建立相互关联的整体坐标系，就可以对多站扫描的点云数据进行配准，连接结合成一个完整的建筑点云。

NovaMS50全站仪、MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D扫描仪得到的点云数据存在着一定的噪声点和错误点，需要滤波操作降低点噪声，并删除多余杂点。对预处理的点云数据进行三角网格化，调节网格密度，并对模型进行拓扑检查，依据四周曲率修补漏洞。数据表面重建前后对比如图2所示。

图2　数据重建前后对比Fig.2　The comparison before and after the data reconstruction

2.2多源数据融合

由预处理得到不同精度的三角网格数据，进行建筑整体三维复原工作。具体步骤如下：

第一，在基准平面上添加经过配准并预处理过的革命领袖视察黑龙江纪念馆整体模型三角网格数据。包含整体建筑外表面数据和部分特色房间内表面数据。

第二，参考建筑平面图纸采用3DMAX软件对未扫描的房间进行立体建模，得到符合图纸尺寸的标准房间模型，并添加到整体模型中相应的位置。

第三，将门、窗和墙面木雕等精细扫描重建的三维网格面替换建筑整体模型中的低精度模型。保留建好的建筑整体模型的同名区域边界上的点，与同名区域精细模型进行定位对准。对不同精度模型的交界处进行网格重构，以解决不同精度模型拼接过程中产生的漏洞和错位。

第四，参照现场图片和资料检查整体模型，对遮挡、损坏、缺失部位进行人工建模补充。纪念馆完整三维重建模型如图3所示。

图3　三维重建的建筑模型Fig.3　3D reconstruction of architecturesmodel

3　高精度纹理重建

对历史建筑的三维重建应用中，模型真实可测已不能完全满足需求，可视化模型成为重要方面。纹理映射是在建筑的三角网格模型和二维纹理图像之间按照摄影测量的投影方式建立对应关系。由于整个建筑内部结构复杂，木雕细节烦琐。本研究采用3DMAX软件中UVW展开实现纹理贴图。将建筑整体分割成多个子房间模型，分别进行UV展开。参照UV网格分布，将拍摄好的正射影像图与之一一对应。木雕纹理重建结果如图4所示。

图4　木雕纹理重建前后对比Fig.4　The comparison before and a fter the carving texture reconstruction

4　结语

本研究提出了多种三维扫描设备数据融合的历史建筑三维重建方法，并实现革命领袖视察黑龙江纪念馆整体三维模型获取。三维建模可以作为历史建筑的“生命档案”永久存档，也为历史建筑的进一步数字化展示与虚拟体验奠定了技术基础。

［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］ 张超，魏占营，王锐，等.数字城市建模方法研究与应用［J］.测绘科学，2012，37（5）：190-193.

［3］王铭军，朱文耀.古代建筑三维虚拟重建方法研究与仿真［J］.计算机仿真，2014，31（3）：437-440.

［4］ 汪剑芳.Creaform 3D技术在航空航天领域的应用［J］.航空制造技术，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