法國巴黎時間4月15日晚，巴黎圣母院突發(fā)大火受損嚴重。雖然火災(zāi)發(fā)生已過去了5天，但全世界人民依舊浸在這場人類文明果突如其來的世紀浩劫的惋惜聲中久久不能釋懷。每一處文物在歷史長河中都留下了一個個令人心動的故事，800年的歷史文物受損，不僅僅是法國民眾的悲哀，也敲響了全世界文物保護的警鐘。據(jù)最新消息，消防隊員稱，巴黎圣母院主體結(jié)構(gòu)被“拯救”，主結(jié)構(gòu)整體保存完整。當(dāng)天法國總統(tǒng)馬克龍在電視講話中宣布，將重建巴黎圣母院。

　　那么，如果想要重修這樣一個復(fù)雜精致的建筑，我們還能怎么辦？按照傳統(tǒng)方法修繕，需要查找原先的設(shè)計方案圖紙。由于年代久遠對圖紙的保存和查閱，都提出了很高的技術(shù)要求。慶幸的是，美國瓦薩學(xué)院安德魯·塔隆教授，在2015年通過使用激光掃描儀測量出十億多個點為巴黎圣母院建立三維模型，創(chuàng)建了該建筑的數(shù)字檔案。偏差只有約五毫米，或有助于巴黎圣母院的災(zāi)后修復(fù)。

　　青島市以“山海島城”融為一體的城市空間格局、“紅瓦綠樹碧海藍天”的城市特色風(fēng)貌、豐富多樣的異域風(fēng)格建筑群以及在中國近現(xiàn)代歷史上的重要地位，早在1994年被國務(wù)院批準為第三批國家歷史文化名城，大量不同歷史時期的風(fēng)貌建筑同樣存在類似巴黎圣母院破壞、損毀甚至是滅頂之災(zāi)的巨大風(fēng)險。除了加強日常維護和監(jiān)管外，如何利用現(xiàn)代測繪手段，完整、真實還原建筑本底，在虛擬世界提前預(yù)留下永恒的數(shù)字空間，未雨綢繆防患未然，已是迫在眉睫的現(xiàn)實需求。

　　青島市歷史城區(qū)照片

　　長期以來，青島市城市規(guī)劃設(shè)計院研究院承擔(dān)著青島市歷史名城保護的相關(guān)規(guī)劃編制工作，我院大數(shù)據(jù)與城市空間研究中心很早就開始嘗試在原有成熟的三維實景合成分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機傾斜攝影、三維激光掃描和VR虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)應(yīng)用，為歷史建筑的開發(fā)保護利用開展了一系列技術(shù)攻關(guān)和實踐探索。特別是我院的激光三維掃描技術(shù)與安德魯·塔隆教授為巴黎圣母院三維掃描達到了同樣的精度，可直接應(yīng)用于工程施工圖設(shè)計等高精度的技術(shù)要求。

　　下面以青島市江蘇路基督教堂為例，系統(tǒng)介紹利用三維實景還原技術(shù)，是如何高效地為歷史建筑建立精細的數(shù)字化三維檔案，為歷史建筑的保護提供最為詳實的三維基礎(chǔ)資料和空間交互平臺的。

　　青島市江蘇路基督教堂是青島著名的宗教建筑，國家重點文物保護單位。1897年，德國強占膠澳地區(qū)后，德國基督教信義會（又稱“路德會”）的柏林教會派傳教士昆柞來青島傳教。昆柞在青島身兼牧師和膠澳總督顧問二任，因此在“總督府”與“總督樓”之間選址營造基督教堂。教堂于1908年4月19日始建，于1910年10月23日竣工，歷時近兩年半。此教堂專供德國信徒聚會禮拜，故有“德國禮拜堂”之稱。據(jù)傳按此圖紙修建的教堂在德國還有一處。

　　江蘇路基督教堂外部與內(nèi)部照片

　　1無人機傾斜攝影技術(shù)

　　無人機傾斜攝影測量測試通過飛機或無人機搭載5個相機從前、后、左、右、垂直五個方向?qū)Φ匚镞M行拍攝，再通過內(nèi)業(yè)的幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列的處理得到的具有地物全方位信息的數(shù)據(jù)。

　　江蘇路基督教堂無人機航拍采集圖

　　傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)本質(zhì)上來是mesh模型， mesh模型就是網(wǎng)格面模型，它是點云通過一些算法，比如區(qū)域增長法、八叉樹算法和波前算法等等構(gòu)成的。而點云是在同一空間參考系下用來表示目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。內(nèi)業(yè)軟件基于幾何校正，聯(lián)合平差等處理流程，可計算出基于影像的超高密度點云，點云再構(gòu)建TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）模型，最后經(jīng)過紋理映射構(gòu)建真實三維模型。

　　高密度點云丨不規(guī)則三角網(wǎng)模型

　　江蘇路基督教堂傾斜攝影三維模型

　　2三維激光掃描技術(shù)

　　江蘇路基督教堂內(nèi)部重建三維模型運用和巴黎圣母院相同的三維激光掃描技術(shù)，誤差僅在五毫米左右。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光， 同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。

　　江蘇路基督教堂激光點云丨巴黎圣母院激光點云

　　再經(jīng)過噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、曲面重構(gòu)后，就可以進行三維建模， 還原掃描日標的本來面日。激光掃描非接觸的測量方式不會對掃描對象造成損傷，在技術(shù)層面上加強了被掃描對象的保護力度。因此，三維激光掃描技術(shù)用于文物保護具有精準性、適用性和可靠性的特點。

　　江蘇路基督教堂激光點云生成模型

　　3VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)

　　VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多種技術(shù)的綜合，包括實時三維計算機圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等。江蘇路基督教堂VR系統(tǒng)集成周邊無人機全景照片，可以從空中俯瞰視角展現(xiàn)青島特色旅游景點與美麗的城市肌理；使用傾斜攝影模型來展示基督教堂外部面貌與周邊環(huán)境，實現(xiàn)在實地行走觀賞真實體驗；使用激光掃描生成的教堂內(nèi)部模型，通過優(yōu)化與燈光處理實現(xiàn)教堂內(nèi)部的百分百還原，讓人可以不出門即可在教堂內(nèi)部實地瀏覽；結(jié)合歷史資料，在場景內(nèi)使用文字圖片聲音結(jié)合的方式，通過虛擬交互來展示基督教堂的歷史。

　　總  結(jié)

　　綜上所述，我院自主開發(fā)的無人機傾斜攝影+三維激光掃描+VR虛擬現(xiàn)實的綜合解決方案等三維實景還原技術(shù)在歷史保護建筑中的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了從宏觀到中觀微觀，多高空鳥瞰到街景到室內(nèi)，分辨率從米到厘米到毫米，從三維視覺體驗到VR交互式體驗的技術(shù)路徑的整合，不但為歷史城區(qū)、街區(qū)、單體建筑的文物保護和文物測繪搭建了真實精細的三維數(shù)據(jù)模型，在后續(xù)的歷史建筑活化利用、文化推廣等方面同樣具有廣闊的應(yīng)用空間。下步，我院也將嘗試有計劃地為全市515處文物保護單位和206處歷史優(yōu)秀建筑，建立一套的完整，詳實的三維數(shù)字化檔案，緊跟三維實景還原技術(shù)的前沿應(yīng)用，為青島市歷史建筑保護工作做出應(yīng)有的貢獻。