三维扫描测量在文物古建修复中的关键技术研究与应用开题报告

1. 研究目的与意义

1.1背景：历史文物是前人智慧的结晶，然而由于文物器物本身的脆弱性和独一无二性，如何准确获取、保护、传承、展示这些文物成为摆在全体文物工作者面前的重要问题。对实体文物进行纹理拍照，三维建模，最后形成三维数字文物是高科技应用于文物修复、保存、管理以及展示的一种体现，也是文物保护研究领域亟待解决的问题。随着激光扫描技术、高清拍照技术以及数据处理保存技术的发展，将文物器物的存储以及保存以数字化的方式实现已经变成现实。文物蕴含着丰富的历史文化信息，是研究古代人类的生活情况以及古代文明发展进程的重要资料。但是由于历史悠久，受到自然侵蚀和人为破坏等因素的影响， 这些历史信息正逐渐减少甚至消失，力求完整保存这些珍贵的信息一直是文物保护和考古工作的重点之一。对于大型遗址或者结构复杂的文物、古建筑等，传统的测绘方法不仅耗时耗力，难以全面精确地收集和表达这些历史信息。随着测绘技术的发展， 20世纪90年代出现的三维激光扫描因其收集信息快速、准确、分辨率高、扫描过程不用接触文物等特点，开始在文物保护和考古发掘工作中得到快速广泛的应用。古建筑如同其他的历史文物一样，是经过若干年的积淀保留下来的东西，不能够再生产及再建造，如果遭到破坏就不能挽回。因此，在对古建筑进行保护与修复时必须正确认识和掌握相应的基本原则，而三维激光扫描技术可以高效精确地完成这一任务。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，通过现场扫描操作直接将各种大型、复杂、不规则的、标准或非标准等实体三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等，它是各种正向工程工具的对称应用工具，即逆向工程工具。它区别于传统的单点定位测量、点线测绘技术及照相测量技术。三维激光扫描可以同时获取空间三维点云pointcloud和彩色数字图像两种数据，扫描点空间定位精度达到5mm~10mm，使该项技术成为欧美等国在高效率空间数据获取和地面遥感探测及三维建模方面的研究热点。近年来，该项技术在欧美等国家和地区的应用涉及城市规划、资源调查、灾害管理、工程设计及国防等方面，特别在城市三维景观、古建重建、虚拟现实与仿真等方面发挥了巨大优势。

1.2目的及意义：三维扫描测量有着极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，目前已被广泛应用于文物考古领域。可以用来对古建筑进行维护、整理或修复。随着技术的更新和应用范围的扩大，近年来国内外研究人员在文物保护和考古发掘工作中采用三维激光扫描技术，为我 们研究三维扫描及其在文物考古中的应用提供 了重要且丰富的新资料。三维模型立体直观，在物体结构、体积等方面的研究具有平面图无法比拟的优势。尤其是对于结构不规则物体， 三维扫描比传统测绘手段更精确快速。并且随着三维扫描技术的发展，三维模型已不仅仅只作为一种信息存档的手段，更是为后 期各种科学研究提供了重要的资料来源、参考信息和一种全新的研究方法，在石窟寺、古建筑等各类文物考古研究中发挥着越来越多的作用。古代建筑的整体建筑风格、空间结构、各构件间 的搭建关系，以及古建的修缮和保护一直是古建筑研究的关键问题。古建筑的测绘作为这些工作的基础前提在古建筑研究中有着重要意义。传统古建筑测绘往往受到空间和时间的限制，需要大量人力进行长时间的测量绘制工作，最终所出成果一般为平面二维图像。测绘过程受限不仅会消耗大量的时间，而且在数据精准度也难以保证。平面图则在空间结构的表达和分析应用上有一定局限性。三维扫描具有信息获取快速高效和无接触性的特点，其应用给古建筑测绘带来了极大便利。并且依据所获点云数据不仅可以快速生成各种平面图，依据其构建出的建筑三维模型更是给结构分析等研究提供了立体直观的数据对象。如今，国内外均开始在古建筑研究中应用三维扫描技术。古建筑是一种文化精神的载体，通过古建筑，可理解丰富的文化内涵。在一定意义上，它们是某个城市“历史记忆的符号”和“城市文化发展的链条”，因为，它们见证了这个城市几百年甚至上千年历史的沧桑变化。一旦破坏，就再难以恢复和接续。一座古代的建筑无论如何破旧，其内在的文化内涵与千年的历史痕迹是无法被替代的。反之，一座当代的仿古建筑无论在外形上做的多么神似，但如果其内在的历史遗迹几乎为零，其文化内涵肯定无法达到与古迹相同的高度。记录历史，展示文化，载托灵魂，就是古建筑的真正意义和价值。将古建筑的历史因素进行完整的传承与表达，便是今天古建筑保护的真正意义。因此，我们再去欣赏古建筑时不应只关注其外在的美学特征，更应透过古建筑的砖墙看到其内在的文化魅力。中国有着光辉灿烂的文化，而中国的古建筑艺术更是东方艺术的奇葩。它不但完全独立于西方建筑体系，更影响着周边国家的建筑特色，形成了东方古典建筑体系。参观中国古代建筑不仅可以感悟到其独特的魅力，更是让国人感受到中国古代文化的伟大，为我们曾创造出如此精湛的建筑品而自豪。河南登封县的嵩岳寺塔，是一座用青砖和黄泥垒砌的高40m的佛塔，在地震山摇和狂风暴雨等安然无恙地经历了将近15个世纪，这本身就是一个了不起的奇迹。

2. 研究内容和预期目标

2.1研究内容：三维扫描测量在文物古建修复中的关键技术研究与应用这一课题目的在于研究新技术三维激光扫描测量在文物古建修复中的应用与研究，通过对文物古建修复实体进行三维激光扫描测量的采集数据、三维建模（点云上特征点提取）这一先后顺序，对三维文物古建进行数字化重建，从而为修复文物留存一个原始数字模型，为修复过程提供可靠的修复依据，同时还要对测量精度进行实际验证。 1、认识三维激光扫描仪器的工作原理，从书本获得理论知识，再通过仪器操作在实践中理解。 2、认识三维激光扫描技术在文物古建修复测量的技术流程，不光要熟记步骤还要理解每个步骤的意义。 3、认识三维激光扫描技术在文物古建修复数字化过程中的数据采集、建模、空间量测和特征点的提取方法，对这些方法进行熟悉并加以运用。 4、对一苏州文物古建修复扫描数据结果的精度,如果精度不够要进行检校，同时还要在实地进行实地验证。 5、先学习“点云”数据处理的软件，也要熟练使用CAD，然后对三维激光扫描获得的文物古建“点云”数据进行处理、研究，并通过提取特征点、特征面，对文物古建修复进行几何模型重构。

2.2预期目标：先对三维激光扫描技术基本原理和方法的基础进行学习，接着按导师安排到苏州文物所对苏州一文物古建用影像全站仪进行三维激光扫描测量，对获得的数据“点云”进行处理，对所获的几何模型进行重构，获得三维数字模型，作为修复过程依据，同时，熟悉三维激光扫描测量在文物古建修复应用的技术流程，并对其所获得的几何模型重构技术的测量精度进行实际验证，达到理应符合的精度。 1、先花5天时间对三维激光扫描仪的认识和使用，通过说明书与仪器操作相结合的方式熟悉三维激光扫描技术的应用。 2、学习三维激光扫描内业数据图像处理软件，学会点云处理等操作，同时学习CAD 软件下的三维重建方法。 3、到文物现场对一苏州文物古建进行三维激光扫描，获得实物“点云”，并运用之前学习的数据处理方法对其数字化构建。 4、然后获得实物“点云”的数字化构建，将其实物转变为CAD模型，并对所需修复部分进行逆向重构恢复，同时，验证三维激光扫描技术在文物古建逆向重构的精度，检查精度是否符合标准，了解其未来的发展方向以及应用前景。 5、撰写一篇12000字的应用性论文。

3. 研究的方法与步骤

技术流程图： 1、到现场进行踏勘，分析地形。踏勘时要认真分析地形、地物特点，合理设置扫描站点，尽量的避免扫描盲区的出现，重点保证重要的地形、地物不会在盲区中出现。 2、进行控制点布设。 3、进行测站设计。 4、进行扫描记录。对古建扫描时，建议对不同的部分采用不同分辨率扫描。比如对地面或者表面平整的墙壁，天花板等可采用较小的分辨率（一般情况下2cm）。但对于体形较小，结构复杂的构建要用相对密集的点云表示（毫米级），有时候要用最大扫描密度来扫描（比如对分布在带有浮雕的墙壁、柱子等）。 5、进行点云拼接。 6、进行点云预处理。 7、查缺补漏，看有没有遗漏部分。 8、进行数据处理。数据处理是三维激光扫描工作中的重要环节，主要包括坐标转换、数据拼接、去噪平滑、三维建模、精简压缩、纹理映射等几个方面。 9、提交成果，验证三维激光扫描技术在文物古建逆向重构的精度。

工作流程图

4. 参考文献

[1] 李清泉等著.三维空间数据的实时获取、建模与可视化. 武汉：武汉大学出版社， 2003

[2] 余明，丁辰，刘长征等.北京故宫修复测绘研究.北京：测绘通报,2004，（4）， 11-13

[3] 徐进军，张民伟.地面三维激光扫描仪——现状与发展.测绘通报，2007，（1）， 47-50

5. 计划与进度安排

第一阶段（前期研究阶段）2022 年 3 月 13 日至 2022 年 3 月 26 日（二周）熟悉开发软件，熟练掌握三维激光扫描内业处理软件，以及CAD、三维建模设计平台软件的使用方法，掌握在三维激光扫描下实现对文物古建修复数字化三维重建方法。阅读相关书籍、参考资料。为接下来进行实验做好必要的知识储备。掌握数据处理的方法，数据处理是三维激光扫描工作中的重要环节，主要从坐标转换、数据拼接、去噪平滑、三维建模、精简压缩、纹理映射等几个方面进行学习。编写开题报告，从以下 5 个方面的内容进行分类撰写：（1）三维激光扫描技术以及古建修复的应用研究和背景；（2）三维激光扫描技术以及古建修复应用研究的目的、意义；（3）三维激光扫描技术以及古建修复应用研究采用的主要技术路线与方法；（4）三维激光扫描技术以及古建修复应用研究预期达到的目标；（5）三维激光扫描技术以及古建修复应用研究实现步骤的流程框图。第二阶段（研究、实验阶段）2022 年 3 月 27 日至 2022 年 4 月 2 日（一周）熟悉作为一个有着2500年历史悠久的古城苏州至今仍保留着众多的文物古迹。研究国内、外文物、古建三维数字化工作研究现状和发展趋势。对逆向工程测绘文物形态进行研究，获得必要资料，整理所得资料。对相关实体进行实验研究，采集数据获得必要资料，整理所得资料。对三维激光扫描的“点云”进行处理研究，并通过提取特征点、特征面，进行三维重建，获得正确的技术实现路线。从中掌握三维激光扫描内业数据图像处理软件，CAD软件下的三维重建方法。第三阶段（项目数据采集和实施阶段）2022 年 4 月 3 日至 2022 年 5 月 7 日（五周）对以文物古建修复进行三维激光扫描测量，对所获的“点云”进行处理、研究，并通过提取特征点、特征面，应用三维激光扫描测量内业软件对“点云”数据进行处理，在3D软件进行古建修复工程三维重建，对残缺部分进行数字修复,对其进行三维可视化表达。对一苏州文物古建进行三维激光扫描，获得实物“点云”，对其数字化构建。通过获得实物“点云”的数字化构建，将其实物转变为CAD模型，并对所需修复部分进行逆向重构恢复。第四阶段（项目检查、验收阶段）2022 年 5 月 8 日至 2022 年 5 月 14 日（一周）对所建立的 CAD 模型，三维数字模型进行修测、完善，进行去噪、坐标转换、数据拼接、去噪平滑、三维建模、精简压缩、纹理映射等处理。同时，验证三维激光扫描技术在文物古建逆向重构的精度，以及应用前景。第五阶段（论文设计，撰写阶段）2022 年 5 月 15 日至 2022 年 5 月 28 日（二周）对实现三维激光扫描仪进行古建修复工程重建数字模型实现的主要技术路线做出论述，完成 12000 字的设计论文，并做论文答辩准备。第六阶段（毕业论文答辩阶段）2022 年 5 月 29 日至 2022 年 6 月 16 日（三周）进行论文查重，修改，复核阶段，准备答辩 ppt,进行预答辩，完成毕业论文答辩。