首页 新闻 产品 解决方案 案例 关于我们


重塑古建之美:基于SLAM的实景三维技术在历史建筑保护中的应用




一、背景

中国的古建延续了历史文脉,有着很高的历史价值和艺术价值。随着国家文物局等多部委倡导的“‘互联网+’中华文明三年行动计划”的推进,古建的保护工作逐渐受到人们的高度重视。积极贯彻习近平总书记在历史古建筑保护的论述精神,牢固落实“创新、协调、绿色、开发、共享”的古建重塑与保护理念,建立古建传承与互联网创新优势互补机制,形成古建保护的有效策略。有利于留存历史文化遗产,推进古建价值挖掘创新,形成古建及文创周边产业链,带动经济和文化双发展,提升民族文化自信。


二、传统测绘技术与SLAM实景三维技术

(一)传统测绘技术

区别于西方的古建,中国的古建大多为木质结构,其梁架体系雕刻碑文表面纹饰等构建及组成复杂多样,且易受火灾、蚁害、洪涝、风化、剥落、人为刻画等自然因素和人为因素的破损甚至毁坏。对于易损的古建筑,正如梁思成所说“中国古建筑的保护工作,与在大火之中抢救宝器名画同样有急不容缓的性质”,我们必须积极采取有效的手段进行保护和利用。在采集数据、古建复原和古建保护工作过程中,古建传统测绘方式遇到很多问题:

(1)采集时二次破坏

传统测绘采集采用人工测量的方式来建立科学记录档案,利用皮卷尺、指南针、手电筒、梯子等辅助工具,实地量取实物尺寸对并绘制手稿图,这是传统测绘中操作性最强且最易实施的方式。但在量取过程中,会接触古建表面,造成古建表面不同程度的损坏。

(2)数据精度低

在考察采集时,由于古建内部的精细程度与复杂性,建筑物每个构建细部的所受的荷载、形变、残损程度不同,采集人在记录时无法对古建的每个细节进行收集与分析,采集过来的数据很大程度上受到了人为的干预整饰,在古建采集数据的还原度上精度不高,大大降低了后续工作的参考性,在古建恢复、修缮工作中需要再进现场做进一步的勘测校核工作。

(3)数据碎片化、数据冗余

古建的构造、色彩、材料、工艺等形式丰富多样,数据采集时,根据不同的项目需求,会对古建资源、现状、规模、特点等分别进行记录,常常会出现数据交叉重复采集的情况。海量且碎片化的数据群,需分别调用不同的数据族,才能对建筑物有整体的认知和细部认知。在调用传输数据时,数据量庞大、数据冗余,常常无法加载使用或使用效率低。

(4)信息载体抽象化

古建的数据通常采用文字、照片、图表、线划图等形式留存,在浏览时,不管是专业人士还是外行,都很很难通过抽象文字数据等对古建做一个清晰的感知,在文保工作中,常常出现信息交互困难、数据重新更新后信息不对等的情况。

(5)工程周期长、成本高

在古建的修复、拆除工作中,也存在繁重的数据整理和更新的问题,数据组对比时工作量大,数据难更新、难调取、难分析,一旦出现沟通不及时的情况就需要返工,大大延长了工程的周期。且由于文保工作的特殊性,在数据采集、记录、整理过程中,对相关人员的专业要求也很高,对建筑的缺陷、结构问题、残损鉴定时往往需要投入相应的专业人员。往往在整个古建保护工程中,需要耗费大量的人力物力。


(二)SLAM概述

SLAM的定义是指运动物体根据传感器的信息,一边计算自身位置,一边构建环境地图的过程,并且可以完成后续的路径规划。简单地说,就是当SLAM机器人扫测古建项目时,实时记录自己的行走轨迹,并自动构建古建实景三维模型。


1.png

图1 SLAM实时构建实景三维


宝略科技采用全球最为先进的NavVis M6移动扫描系统作为SLAM硬件系统,包括4个呈立体交叉布设的激光扫描传感器来获取高精度三维点云数据、六组lumix高分辨率全景相机720°获取高分辨率全景影像,IMU惯导单元输出三轴加速度和角速度,用于姿态角和运动路径等测量,另有、蓝牙、地磁等传感器获取现场多种信息。PopIndoor平台可在任意浏览器中实时虚拟浏览,还可以实现测量、导航、路径规划和交互等功能。SLAM扫描仪可以获取5mm级点云,室外空间地理精度中误差在0.05米以内,室内空间地理精度中误差在0.01-0.03米,快速生成精准平面图的同时,还可以自动化构建三维空间。


(三)传统测绘与SLAM技术对比

SLAM采集过程中不接触古建表面,最大程度地保护了古建的原貌,且采集速度比固定扫描仪和设备快30倍;SLAM的点云数据可以快速构建古建的全方位立体空间,完整记录古建的每个要素信息,PopIndoor搭载平台实时加载海量点云,可以实现在线调取浏览古建三维模型的逼真效果;SLAM对采集人员的古建专业背景要求不高,采集过程简单易操作,大大降低了在古建项目采集中投入的经济成本和时间成本;科学精确的数据成果,更直观真实地还原了古建的精度程度;多元的展示效果为后期的保护修缮工作提供了更客观真实的数据依据。


222.jpg


以下为SLAM与传统古建测绘技术对比:

111.jpg


三、SLAM成果展示

PopIndoor搭载的实景三维平台,能够基于SLAM采集的古建数据集成实景点云全景融合、实景测量、导航、重点区域标注、VR展示等功能,基于室内外一体化平台融合PopIndoor室内数据及室外倾斜数据,实现点云数据、全景影像同时浏览、古建室内外空间平面图与全景影像的场景切换、重点区域线划图、音频、视频资料标注、虚拟现实场景漫游、BIM模型展示、二维码分享等,真实、快捷、精准、高效的形式实现信息搜索、场景漫游、情景切换、POI标注等功能。


(1)点云与全景融合

SLAM的3D实景效果最大限度地保留了场景的真实性,真实感强,给人一种身临其境的感觉,沉浸浏览的同时,还可以利用键盘或者鼠标进行交互。SLAM的扫描数据在每个采集点都可以全景展示,直观表达了古建的三维结构信息。并且这些全景影像还可以进一步优化编辑,是可操作的。在数据展示的形式上不需要两套数据系统,SLAM融合点云和全景影像数据,配准后产生的彩色点云是带有空间结构信息的,可以实时调取浏览,便于演示交流。


22.jpg

2 点云全景融合


 (2)实景测量

在古建数据采集时,经常出现每次数据采集不全的问题,需要去现场二次采集;在古建拆除、施工安装中数据更新时,之前采集的数据往往会无效,需要要翻阅之前的照片或者线划图,对比更新的图纸或者照片,工作量很大。PopIndoor支持空间量测功能,能基于实景获取距离信息。SLAM记录的三维空间信息就相当于把古建“搬”到了办公室,工作人员不需要再去现场进行二次勘查和采集,不需要每次都翻阅之前的资料进行对比,只需要在在网页端进行测量和对比信息,大大提高了工作效率、降低了沟通成本。


33.jpg

3 SLAM实景测量


(3)重点区域兴趣点标注

PopIndoor支持兴趣点信息标注功能,每个兴趣点可以包含古建的所有信息,包括图片、文字介绍、视频、音频、线划图、手绘图、坐标信息等,融合所有网络资料及传统测绘采集的数据资料,丰富了古建的展示信息,还可以对周边建筑交通信息等备注,为路径规划提供数据依据


34.jpg

4 SLAM重点区域兴趣点标注


(4)导航

PopIndoor可以根据古建的点云数据自动识别地面等高面,生成导航路网,通过编辑路网结点关联古建内部。SLAM在在采集过程中也完成了定位工作,可以通过编辑古建兴趣点,最后搜索重点区域的兴趣点实现导航


39.jpg

图5 SLAM导航应用


(5)VR展示

PopIndoor中可以实现虚拟现实仿真技术,利用互联网的模拟环境,融合多种信息源交互三维动态视角,沉浸式浏览室内空间。搭载VR的基础上支持兴趣点的浏览与与导航功能,可以观看小地图获取古建平面信息,通过点击二维平面图实现室内场景切换,支持VR融合兴趣点,自动讲解音频、视频等。


36.jpg

图6 VR展示


(6)室内外一体化

倾斜摄影提取了古建的纹理信息,多角度变换和展示,保证了古建的真实性和历史感。室内外一体化平台,将古建的倾斜摄影成果和室内成果很好地融合在一起,全方位地展示古建各个角度的信息,并且基于平台可以展示模型兴趣点,集成所有二维图片、线画图成果,可以对建筑群实现模型单体化,更直观地了解建筑的方位信息和位置关系,还可以操作模型的光照、经纬度等进行展示,校对地形图和核对分层分户信息。


37.jpg

图7 室内外一体化


(7)分享

SLAM展示的终端没有局限性,可以在网页端、移动端任意浏览和操作,还可以利用二维码分享古建的实景,也可以分享导航的位置信息,实现信息交互。在展示的成果也没有局限性,可以融合多种数据类型,比如BIM模型、VR等。


38.jpg

8 二维码展示


四、SLAM优势总结

SLAM采集和成果展示技术具有其它测量技术无法比拟的优势:

一是非接触式的测量手段,不会对古建筑造成二次损伤;

二是外业采集速度快,测量结果精度高,对测量人员古建背景要求低,工程采集投入成本低;

三是集成点云、全景影像、POI信息、导航、VR、BIM、全景量测等功能,多种数据形式实现“数据多跑路,人少跑路”;

四是实时在线浏览与分享,增强了数据的使用率;

五是数据的可挖掘性强,具有广泛的应用性。室内外一体化平台融合室外倾斜数据和所有室内数据成果,多元展示古建特点;

六是高精度的数据和丰富的展示形式能为古建筑保护和修缮工作建立完整精确的永久科学档案,同时,也可以通过互联网实时调取运用这些档案信息,最大程度地满足了古建保护数字化建立档案和数据使用工作的需要。

相关方案 返回列表