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［摘要］中國古建筑是中國文化的重要載體，隨著時間的推移，許多大型的古建筑均受到了不同程度的變形和損壞，歷史文化遺產的保護面臨著嚴峻的形勢。近些年來，隨著數字仿真技術、測繪以及地理信息系統等相關技術的迅猛發展，古建筑數字化的管理正逐漸成為人類社會關注的焦點。但目前國內外對此類古建筑工作的相關研究還多集中在古建筑的測繪與恢復方法上，對古建數字化展示系統的研究較少，以先農壇為例，利用三維激光以及Skyline技術，對先農壇太歲殿進行數字化并建立三維展示平臺。

［關鍵詞］三維激光掃描；數字化建設；三維展示平臺

目前，在我國文物領域，應用虛擬仿真技術進行數字化保護管理，體現以下趨勢：有效保護、研究與開發文物資源迫在眉睫，將計算機技術與傳統文物工作相結合，對文物實施數字化保存、重現和修復。三維激光掃描技術具有精準性、非接觸性以及快速性等特點，引入三維激光掃描技術與虛擬現實技術用于保護中國古建筑成為一種客觀的需求，現階段利用此項技術還是較少。以先農壇例，利用三維激光掃描技術，對先農壇太歲殿進行掃描，得到點云數據，通過對點云數據的處理，在虛擬現實軟件中構建出精確的虛擬先農壇太歲殿，并利用Skyline系統，為其搭建一個系統展示平臺。

1工程概況

先農壇位于北京市宣武區永定門內大街西側，始建于公元1420年。建筑面積1118.2m2，通面闊七間51.35m，明間、稍間前置六階臺階，進深三間（12椽13檁）25.7m，其木構架結構形式基本與故宮太和殿上層類似，徹上明造，屋面單檐歇山式，黑琉璃瓦綠剪邊，柱礎石為素面覆盆式，檐柱高6.2m，明間及次間補間斗碩六攢，稍間及盡間為四攢，四周共用柱頭斗碩二十二攢（包括四攢轉角斗碩），補間斗碩九十六攢。殿宇前檐七間各開四扇格扇門，其余三面砌墻，格扇為四抹頭，菱花為三交六碗。殿內明間北部有神龕，無神像。拜殿及太歲殿均用金龍和璽彩繪。

2數字化保護管理意義

（1）提高古建筑的展出效果。我國當前古建筑群龐大，但受技術和硬件的限制，能數字仿真的較少，而通過三維激光虛擬現實技術，可將古建筑制作成三維數字化模型，來展示古建筑的原貌。用戶可通過網絡進行古建筑的虛擬漫游和了解相關信息，極大地激發人們的參觀興趣。（2）提高文物保護技術手段。對于木結構的古建筑來說，易出現起皮、掉色、剝落等現象，對于其以后的修復較困難，利用三維激光數字仿真技術，可將原有的古建筑影像保存下來，為后期修復提供可靠的數據支持。（3）古建筑三維演示系統可實現對外宣傳功能，提高古建筑的知名度，同時可宣傳古建筑文化歷史，讓游客在遠程瀏覽古建筑原貌，有身臨其境之感。（4）古建筑三維演示系統也為考古學家研究提供了準確而直觀的數據支持。

3古建筑三維精細模型的構建

3.1基于Cyclone軟件的點云數據預處理

3.1.1點云數據的掃描

建立先農壇太歲殿的三維模型需獲得空間數據信息。空間數據的獲取將采用三維激光掃描儀對建筑物進行掃描。由于太歲殿周圍環境遮擋以及三維激光掃描儀器的特性，無法1個測站獲得整個建筑的點云數據。采用多站掃描獲取建筑物的整體信息，再將多站數據進行配準轉換到統一坐標系，把多站數據云集到一起，形成太歲殿整體的點云數據模型。

3.1.2掃描數據配準的具體實施過程

（1）運行Cyclone。（2）右鍵單擊SERVERS打開Servers的ADD菜單，輸入本地計算機名（Richard），點擊ADD后創建完服務器。同樣步驟右擊數據庫GIS04單擊Database菜單的對話框里輸入DatabaseName和數據庫存儲路徑，然后右擊shitang導入數據菜單import找到需導入的文件后選擇Single，MergedCloud項點擊OK導入，可連續導入幾個數據。（3）控制點配準法的操作步驟：右擊shitang菜單，新建配準窗口：Create->Registration后取名為“Registration56”，雙擊該項目彈出配準操作窗口：Registration控制點配準。點擊AddScanWorld圖標或點擊ScanWorld菜單中選擇AddScanWorld項導入2站數據，需包括1個基站數據，其他各站數據都往其上拼接，SetHomeScanWorld用來選定基站（點擊SetHomeScanWorld圖標或點擊ScanWorld菜單中選擇SetHomeScanWorld項）。接下來點擊Auto-AddConstraint圖標或點擊Constraint菜單在級連菜單中選擇Auto-AddConstraint項自動加入各個標靶控制點數據，接著點擊Register圖標按標靶點坐標配準，此時可根據標靶控制點進行匹配調整。精度要求達到后，鎖定配準結果和創建1個已配準的ScanWorld，點擊CreateScanWorld/FreezeRegistration圖標即完成此功能。最后從已配準好的ScanWorld中創建ModelSpaces即可。

3.2基于AutoCAD的平、立、剖線畫圖

具體的操作過程如下：（1）在Cyclone里截出1個薄薄的一面點云，導出成xyz文件格式。（2）因為在Cyclone里導出的點云太密，并且數據量太大，所以把xyz數據導入Geomagic里，對其進行抽稀。再將其保存成dxf文件格式。（3）在AutoCAD中打開dxf文件，對這些點云的樣式，畫線畫圖。因點云數據的尺寸和物體實際尺寸差1000倍，所以最后用縮放命令將線圖擴大1000倍，保存成dwg文件。

3.3古建筑實體建模

按照先農壇的結構特點和3DSMAX建模的基本原則，采用由整體到局部、從下到上、由粗到精的順序對先農壇太歲殿進行建模。具體包括以下步驟。（1）在AutoCAD中，將所需的太歲殿各部位現狀圖提取出來。將提取出來各部位圖形另存為一個新的.dwg文件，分塊導入文件可降低機器的運行速度和死機。（2）在3DSMAX中導入太歲殿各部位.dwg文件。（3）利用太歲殿導入的數據，在3DSMAX中對其建立三維模型。由于古建筑的結構形式，建模時需按一定順序，先建臺基，然后建墻柱以及梁架，最后建造屋面。太歲殿的主體結構建成后，就對細部部分建模，如太歲殿的門和窗、柱、斗拱等。（4）為太歲殿三維模型進行紋理映射。紋理材質對于一個建筑物的逼真顯示是非常重要的。高分辨率的紋理能產生逼真的視覺效果但同時增加了計算機運行的負擔，而采用合適分辨率能減少模型的幾何信息并同時能產生較好的視覺效果。在模型完成后用數碼相機從先農壇實地拍攝照片，對照片進行處理并保存為紋理圖片，在3DSMAX中采用合適的貼圖方法和貼圖坐標，進而對太歲殿各構件進行映射。農壇最后完成的三維模型，如圖1所示。

4基于Skyline系統的展示平臺

4.1系統概述

虛擬先農壇太歲殿系統的集成將在Skyline軟件的TerraExplorer模塊里進行，信息數據集成的目的是生成用于網絡發布的飛行文件。首先在TerraExplorer中新建虛擬先農壇項目，導入虛擬地表模型，然后進行虛擬先農壇太歲殿系統的集成操作。

4.1.1數據的準備

（1）太歲殿地表模型數據的準備，利用TerraBuilder建立三維地表模型，其中，影像圖從GoogleEarth截取。（2）建立3DSMAX的精細模型轉化成Skyline軟件認可的xpl文件格式。（3）收集先農壇文獻資料，正射影像圖，為系統進行信息的管理。

4.1.2先農壇地表模型文件的生成

先農壇三維地表模型可對先農壇真實地表的模擬，真實反映先農壇的地形起伏、地面位置等實際情況。先農壇三維地表模型是通過數字正射影像和高程模型生成，具體操作將通過Skyline軟件的TerraBuilder模塊來完成，TerraBuilder可加載多種不同格式、不同分辨率的地表數據，形成所需的三維地表數據模型。

4.1.3定制先農壇系統信息窗

Skyline軟件的信息窗是顯示工程中所有對象的窗口，在信息窗中，所有項目要素信息是以信息樹的方式列出。通過信息窗，可快速瀏覽項目中包含的每一個對象要素，通過信息窗的操作可控制三維瀏覽窗口顯示的內容，實現對改項目的統籌管理。先農壇太歲殿的信息窗包括先農壇項目的概括，先農壇太歲殿各個立面的正射影像圖，先農壇太歲殿的精細模型，以及一些輔助設施如樹木、建筑物、文字說明等。

4.1.4系統對象屬性管理

在先農壇太歲殿系統中，每個空間數據對象都有自己的屬性信息，詳細地描述對象空間特征信息以外的其他目標特性，包括對象的類別以及功能等詳細信息。先農壇太歲殿系統要實現的目標之一是對空間對象的屬性信息進行管理。在Skyline軟件中，屬性信息的表達是通過鼠標單擊對象進行響應，在先農壇太歲殿系統中，對象的屬性信息僅為文字信息，可以通過屬性表來實現。

4.1.5生成可發布的飛行文件

當全部的先農壇景觀模型建立完成且屬性信息也建立完畢后，就可生成可發布的飛行文件。飛行文件包含先農壇工程設置和工程內容。

4.2系統開發

先農壇系統需對系統的界面以及功能進行設計，以滿足系統后期應用的需求，實現網絡系統的發布。TerraExplorerAPI提供了一套強大的接口用來集成TerraExplorer、TerraExplorerPro和用戶自定義應用。TerraExplorer同時提供一套ActiveX控件，可將3D窗口、信息樹以及導航圖以控件的方式嵌入用戶自定義的界面中。

4.2.1通過C++進行系統二次開發的實施

利用C++進行系統的二次開發，形成一個可執行的小程序，方便訪問者在沒有相關軟件的情況下打開、瀏覽和查閱。

4.2.2二次開發應用程序的展示

（1）應用程序的菜單欄主要包括文件、編輯、視圖、導航、圖層、創建、測量、工具，并且每個菜單下又包括各自的子菜單，可通過這些選項對先農壇系統進行操作。（2）在導航欄里有地下模式、縮放、指北、環繞飛行，通過這些菜單可瀏覽三維模型的不同視角。（3）在測量欄里主要有水平測量、垂直測量、面積測量、等高線圖菜單，通過這些可測量出先農壇太歲殿的各部分數據。

5結束語

（1）提出了一套完整的古建筑三維展示的解決方案。介紹了三維建模和展示平臺的研究現狀；（2）以COM和DEM為數據源，以Skyline系列軟件為平臺，完成了先農壇地表建模；（3）與三維激光技術結合3DSMAX軟件建立先農壇太歲殿精細模型；（4）利用Skyline軟件提供的開發包實現了先農壇三維展示系統。采用三維激光掃描技術與虛擬現實技術對古建筑實施保護，既適合我國國情又能滿足多種需要，對于提高古建筑數字化建設速度具有重要的示范意義和指導作用。

參考文獻

[1]王攝菲，姚俊峰.仿古建筑（南普陀寺）三維重建方法研究[J].微計算機信息，2009，25（7）：191–193.

[2]常德海.基于Skyline的虛擬校園建設理論與方法研究[D].開封：河南大學，2009.

作者：孫雪 單位：北京住總集團有限責任公司工程總承包部