三维激光扫描在古建筑修复中的应用

使用传统的修缮方法进行古建筑修缮,需要花费大量的时间采集古建筑的相关信息,该文利用三维激光扫描技术获取古建筑的三维点云并生成三维模型,基于三维模型进行古建筑的修复,证明此方法具有一定的可行性。     

基于三维激光扫描与无人机倾斜摄影技术的古建筑重建

针对古建筑三维重建中传统技术很难同时兼顾高精度三维信息快速获取和多角度真实地物纹理特征准确采集的难题,提出联合三维激光扫描与倾斜摄影测量技术的古建筑三维重建新方法。新方法充分结合了两种技术的优势,利用特征点匹配算法来实现多源数据精确融合,从而实现古建筑室内外完整三维模型的构建。以中国传统村落渐山村李氏家庙为例,通过该方法构建的三维模型与实际激光测距仪测量数据比较,其相对中误差为5 mm, 且建模效率相对于传统方法也有大幅提升;此外,将构建的模型以不同比例尺进行3D打印与室内外展示,进一步验证了建模数据的可用性;表明该方法将为古建筑文化遗产的修复与保护提供重要技术支持。     

“多规合一”背景下古建筑规划保护辅助审批系统应用研究——以东莞市古建筑为例

城市规划建设过程中,直观评估建设项目对城市古建筑空间的影响对协调新型城镇化背景下文物保护与开发利用之间的关系具有重要意义。设计开发一套基于古建筑三维模型的城市规划审批辅助系统。结合空-地协同的技术思路,采用多旋翼无人机和手持三轴云台相机分别采集古建筑低空和地面的多视角影像,基于倾斜摄影测量技术实现古建筑精细化三维实景还原,建立古建筑空间数据库。运用HTML5和WebGL技术设计开发古建筑保护规划审批辅助决策系统,实现古建筑多源异构数据的综合管理和展示,并提供城市建设项目对周边古建筑空间影响的分析功能。该系统为规划管理部门对古建筑的信息化管理与辅助决策提供支持,为搭建城市“多规合一”平台中古建筑空间保护体系提供参考。     

基于三维激光扫描与无人机倾斜摄影技术的古建筑重建

针对古建筑三维重建中传统技术很难同时兼顾高精度三维信息快速获取和多角度真实地物纹理特征准确采集的难题,提出联合三维激光扫描与倾斜摄影测量技术的古建筑三维重建新方法。新方法充分结合了两种技术的优势，利用特征点匹配算法来实现多源数据精确融合，从而实现古建筑室内外完整三维模型的构建。以中国传统村落渐山村李氏家庙为例，通过该方法构建的三维模型与实际激光测距仪测量数据比较，其相对中误差为5 mm, 且建模效率相对于传统方法也有大幅提升;此外，将构建的模型以不同比例尺进行3D打印与室内外展示，进一步验证了建模数据的可用性;表明该方法将为古建筑文化遗产的修复与保护提供重要技术支持。     

古建筑视觉三维重建系统设计与实现

基于视觉的三维重建一直是计算机视觉领域的研究难点和热点,古建筑文化遗产的三维数字化应用就是其中之一.针对此需求,设计并实现基于图像视觉的古建筑三维重建系统.该系统由单个摄像机采集古建筑的多视角图像序列,通过图像特征提取和匹配、摄像机位置姿态计算、优化算法、三维点云生成、纹理映射等一系列自动计算过程,得到古建筑的三维重建模型.通过实验验证,该系统能够自动计算获取视觉效果良好的古建筑三维重建模型,且其实现成本低、操作简单安全,无须人工干预,可以满足当前古建筑快速安全的三维数字化应用需求.     

古建筑修复中三维激光扫描仪信息采集自动化技术的应用研究

为提高传统单点测量的准确度,提出基于三维激光扫描仪和3dsMax的古建筑三维建模方法。首先采用三维激光扫描仪对古建筑结构信息进行自动化采集,并利用ICP配准方法对点云数据进行拼接、去噪和缩减处理;然后对处理后的数据进行不同位置的切片,并通过AutoCAD绘制古建筑的平立面图;最后通过3dsMax对古建筑进行三维建模。实验表明,在100 m测距范围内,全站仪的最小误差和最大误差分别为2.92 mm和4.13 mm,比三维激光扫描仪分别高出了2.76 mm和2.39 mm; Z+F IMAGER 5010C三维激光扫描仪的最小误差和最大测距误差分别为0.16 mm和1.74 mm,测距误差更小,测距精度明显高于传统的全站仪。在建模点位精度分析中,非线性与线性两种模型转换下,X和Y方向的最小误差分别为0.17 mm和0.22 mm;最大误差分别为1.05 mm和1.44 mm,满足古建筑建模时的精度要求,可用于古建筑的前期修复中。     

明清古建筑信息模型设计平台研究

相对于我国古代先进的建筑技术成就,我国在古建信息化方面还比较落后, 急需利用现代信息技术对古建筑保护和开发进行探索和研究。BIM 技术的引入为古建筑的 保护研究提供了新的途径,在深入研究古建筑构件构造特点、建造规律、装饰彩绘以及历史 文化等的基础上,研发了古建筑信息模型设计平台。该平台不仅为古建筑构件信息模型库的 建立和管理提供了基础平台,而且还可以为古建筑的修缮和复原、古建筑的研究以及古建筑 虚拟现实系统等提供精确的信息。     

面向规则的三维古城虚拟技术的研究

随着三维数字技术的发展,三维虚拟技术逐渐向古建筑领域迈进。但目前对于古建筑建模学术研究较少,研究的大多古建筑的虚拟技术,都以三维建模软件为主。由于三维建模软件的局限性、建设模型数据量大,在大区域的三维虚拟化的应用中,无法体现地形,模型精度不高,位置精度有一定偏差。采用基于CityEngine的面向规则的三维虚拟技术,以阆中古城为对象,对地形处理、地形整平、古建筑结构分析、几何形状分析、空间位置分析、平移和旋转算法设计、附属设施的空间动态布局算法设计、规则编码等进行研究,实现了阆中古城的三维虚拟平台。通过实验证明了该技术的优越性,对今后古建筑的三维虚拟化建设提供了一种技术方法。     

MES系统中三维模型数据防泄漏实现

将设备的三维模型植入到MES系统中,通过可视化的三维模型操作实现设备运维业务,极大地提高了工厂的设备运维效率。为保证MES系统中三维模型数据的安全,红塔烟草(集团)有限责任公司在探索中找到了一套切实可行的方法。论文分析了三维模型数据的泄露途径与因素,针对性地从制度保障、三维模型处理、网络防护和加密系统保护四方面入手,构建了模型数据防泄漏的立体防护网。经过一年的使用与验证,防泄漏防护网切实可行。     

一种三维模型数字水印算法的设计与实现

为了保护三维模型网上共享不被非法拷贝，对三维数据模型结构进行分析，提出了一种利用改变三维数据中三角面片所依据点的坐标来嵌入水印图像三维模型数据的快速简单的数字水印加密方法，最后提出了三维模型数字水印的攻击及健壮性评价标准，并以此对本算法进行了评价，给出了试验结果。     

基于激光点云数据的客家土楼三维建模

传统测量方法难以获得完整准确的几何信息,且在测量过程中对文化遗产的频繁接触也存在造成文化遗产损害的隐患。利用地面激光扫描技术开展了客家土楼真实感、精细化三维建模的应用研究。首先,在现场点云数据采集的基础上提出了基于点云数据的客家土楼三维高精度重建的具体过程;其次,对点云数据处理和三维实体重建两个核心步骤,重点对点云数据的配准拼接、去噪简化和分站处理、构件轮廓线提取、三维几何建模和纹理贴图等步骤进行了详细论述。另外,对建模过程中纹理优化处理这一难点进行分析探讨,给出具体解决途径。应用结果表明:三维激光扫描技术适用于具有高复杂度几何特征的客家土楼精确化、真实感建模,为客家土楼建筑文化遗产未来的开发与保护过程的损害情况监测、恢复重建和虚拟展示等提供了高精度的数据基础。目前,技术方法已应用于世界遗产地—福建客家土楼的数字化旅游信息服务中,成效明显。     

中国古建的三维设计方法研究

中国古建是我国的珍贵文化遗产,保护与研究古建是现时代的重要任务。利用三维设计再现古建筑的形态,是目前解读与研究古建的重要方法。中国古建绝大多数采用木结构,先制作构件,再进行组装;因此,利用三维设计来表现古建,是一个值得研究的课题。本文应用MAYA的建模技术对中国古建进行三维设计提出了较为可行的方法,从＂MAYA＂的三维技术手段对古建的设计研究的影响以及建构方法和实例建模（塔、殿、桥、坊）等方面进行了较好的研究。     

结合体元数据结构的机载LIDAR建筑物检测

目的 目前,点云、栅格格网及不规则三角网等建筑物检测中常用的离散机载激光雷达（LIDAR）点云数据表达方式存在模型表达复杂、算法开发困难、结果表达不准确及难以表达多返回数据等缺点。为此,针对LIDAR点云体元结构模型构建及在此基础上的建筑物检测展开研究,提出一种基于体元的建筑物检测算法。方法 首先将点云数据规则化为二值（即1、0值,分别表示体元中是否包含有激光点）3D体元结构。然后利用3D滤波算法将上述体元结构中表征数据点的体元分类为地面和非地面体元。最后,依据建筑物边缘的接近直线、跳变特性从非地面体元中搜寻建筑物边缘作为种子体元进而标记与其3D连通的非地面体元集合为建筑物体元。结果 实验基于ISPRS（international society for photogrammetry and remote sensing）提供的包含了不同的建筑物类型的城区LIDAR点云数据测试了"邻域尺度"参数的敏感性及提出算法的精度。定量评价的结果表明：56邻域为最佳邻域尺度;建筑物的检测质量可达到95%以上——平均完整度可达到95.61%、平均正确率可达95.97%。定性评价的结果表明：对大型、密集、不规则形状、高低混合及其他屋顶类型比较特殊的复杂建筑物均可成功检测。结论 本文提出的建筑物检测算法采用基于体元空间邻域关系的搜索标记方式,可有效实现对各类建筑目标特别是城市建筑目标的检测,检测结果易于建模3D建筑物模型。     

An automated vision-based method for rapid 3D energy performance modeling of existing buildings using thermal and digital imagery

Modeling the energy performance of existing buildings enables quick identification and reporting of potential areas for building retrofit. However, current modeling practices of using energy simulation tools do not model the energy performance of buildings at their element level. As a result, potential retrofit candidates caused by construction defects and degradations are not represented. Furthermore, due to manual modeling and calibration processes, their application is often time-consuming. Current application of 2D thermography for building diagnostics is also facing several challenges due to a large number of unordered and non-geo-tagged images. To address these limitations, this paper presents a new computer vision-based method for automated 3D energy performance modeling of existing buildings using thermal and digital imagery captured by a single thermal camera. First, using a new image-based 3D reconstruction pipeline which consists of Graphic Processing Unit (GPU)-based Structure-from-Motion (SfM) and Multi-View Stereo (MVS) algorithms, the geometrical conditions of an existing building is reconstructed in 3D. Next, a 3D thermal point cloud model of the building is generated by using a new 3D thermal modeling algorithm. This algorithm involves a one-time thermal camera calibration, deriving the relative transformation by forming the Epipolar geometry between thermal and digital images, and the MVS algorithm for dense reconstruction. By automatically superimposing the 3D building and thermal point cloud models, 3D spatio-thermal models are formed, which enable the users to visualize, query, and analyze temperatures at the level of 3D points. The underlying algorithms for generating and visualizing the 3D spatio-thermal models and the 3D-registered digital and thermal images are presented in detail. The proposed method is validated for several interior and exterior locations of a typical residential building and an instructional facility. The experimental results show that inexpensive digital and thermal imagery can be converted into ubiquitous reporters of the actual energy performance of existing buildings. The proposed method expedites the modeling process and has the potential to be used as a rapid and robust building diagnostic tool.     

文化遗址的三维真实感建模与虚拟展示技术

以唐小雁塔遗址的数字化展示为应用背景,针对文化遗址的真实感建模和三维虚拟展示问题,提出一种基于大场景三维激光扫描技术的遗址数字化方案,设计一种基于激光同步扫描图像、采用局部纹理映射的遗址三维真实感建模方法,利用GIS和虚拟现实技术开发一个文化遗址三维虚拟展示系统。实际应用结果证明,该系统可有效提高文化遗址的三维虚拟展示效果。     

基于机载视频量测的3维城市建模

3维城市模型的快速获取及更新是近十年来计算机视觉及数字摄影测量领域研究的热点。从实用、经济的角度出发，提出了集成城市数字地图、LIDAR data以及机载视频序列影像多数据源，基于数字摄影测量理论的半自动获取3维城市模型的解决办法，并在3维导航的数据生产实践中进行了验证，取得较好的生产效率及效果。     

基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟校园三维场景构建研究

当前的虚拟校园三维场景构建方法是利用osgEarth获取GoogleEarth数据,构建虚拟校园三维地图,然后依据本地地形信息与三维场景模型完成对虚拟校园的三维场景构建;该方法在三维场景构建过程中没有考虑到校园后续建设发展,只凭现在所需进行三维场景构建,导致虚拟校园三维场景杂乱,存在虚拟校园三维场景构建顾虑不周的问题;为此,提出一种基于AutoCAD和3DSMAX的虚拟校园三维场景构建方法;该方法首先利用Kinect的RGB深度摄像头获取校园平面数据、影像数据和贴图资料,采用相机阵列合成算法对所得校园图像进行特征提取,然后依据非局部均值滤波方法对获取的校园图像进行去噪操作,最后利用边缘方向和梯度表示中的结构方向与强度,对校园图像外轮廓的纹理特征进行收敛,依据外轮廓纹理特征收敛实现校园图像内轮廓的准确定位,将校园图像与虚拟校园三维场景构建所需图像进行匹配,由此完成对虚拟校园三维场景的构建;实验结果证明,所提方法是虚拟校园三维场景构建领域革命性的突破,提高了学校的招生率,增加了校园文化历史的展现机会,为该领域的研究发展提供了有效依据。     

Complete classification of raw LIDAR data and 3D reconstruction of buildings

LIDAR (LIght Detection And Ranging) data are a primary data source for digital terrain model (DTM) generation and 3D city models. This paper presents a three-stage framework for a robust automatic classification of raw LIDAR data as buildings, ground and vegetation, followed by a reconstruction of 3D models of the buildings. In the first stage the raw data are filtered and interpolated over a grid. In the second stage, first a double raw data segmentation is performed and then geometric and topological relationships among regions resulting from segmentation are computed and stored in a knowledge base. In the third stage, a rule-based scheme is applied for the classification of the regions. Finally, polyhedral building models are reconstructed by analysing the topology of building outlines, building roof slopes and eaves lines. Results obtained on data sets with different ground point density, gathered over the town of Pavia (Italy) with Toposys and Optech airborne laser scanning systems, are shown to illustrate the effectiveness of the proposed approach.