法国巴黎时间4月15日晚，巴黎圣母院突发大火受损严重。虽然火灾发生已过去了5天，但全世界人民依旧浸在这场人类文明果突如其来的世纪浩劫的惋惜声中久久不能释怀。每一处文物在历史长河中都留下了一个个令人心动的故事，800年的历史文物受损，不仅仅是法国民众的悲哀，也敲响了全世界文物保护的警钟。据最新消息，消防队员称，巴黎圣母院主体结构被“拯救”，主结构整体保存完整。当天法国总统马克龙在电视讲话中宣布，将重建巴黎圣母院。
那么，如果想要重修这样一个复杂精致的建筑，我们还能怎么办？按照传统方法修缮，需要查找原先的设计方案图纸。由于年代久远对图纸的保存和查阅，都提出了很高的技术要求。庆幸的是，美国瓦萨学院安德鲁·塔隆教授，在2015年通过使用激光扫描仪测量出十亿多个点为巴黎圣母院建立三维模型，创建了该建筑的数字档案。偏差只有约五毫米，或有助于巴黎圣母院的灾后修复。
青岛市以“山海岛城”融为一体的城市空间格局、“红瓦绿树碧海蓝天”的城市特色风貌、丰富多样的异域风格建筑群以及在中国近现代历史上的重要地位，早在1994年被国务院批准为第三批国家历史文化名城，大量不同历史时期的风貌建筑同样存在类似巴黎圣母院破坏、损毁甚至是灭顶之灾的巨大风险。除了加强日常维护和监管外，如何利用现代测绘手段，完整、真实还原建筑本底，在虚拟世界提前预留下永恒的数字空间，未雨绸缪防患未然，已是迫在眉睫的现实需求。
青岛市历史城区照片
长期以来，青岛市城市规划设计院研究院承担着青岛市历史名城保护的相关规划编制工作，我院大数据与城市空间研究中心很早就开始尝试在原有成熟的三维实景合成分析技术的基础上，结合无人机倾斜摄影、三维激光扫描和VR虚拟现实等新兴技术应用，为历史建筑的开发保护利用开展了一系列技术攻关和实践探索。特别是我院的激光三维扫描技术与安德鲁·塔隆教授为巴黎圣母院三维扫描达到了同样的精度，可直接应用于工程施工图设计等高精度的技术要求。
下面以青岛市江苏路基督教堂为例，系统介绍利用三维实景还原技术，是如何高效地为历史建筑建立精细的数字化三维档案，为历史建筑的保护提供最为详实的三维基础资料和空间交互平台的。
青岛市江苏路基督教堂是青岛著名的宗教建筑，国家重点文物保护单位。1897年，德国强占胶澳地区后，德国基督教信义会（又称“路德会”）的柏林教会派传教士昆柞来青岛传教。昆柞在青岛身兼牧师和胶澳总督顾问二任，因此在“总督府”与“总督楼”之间选址营造基督教堂。教堂于1908年4月19日始建，于1910年10月23日竣工，历时近两年半。此教堂专供德国信徒聚会礼拜，故有“德国礼拜堂”之称。据传按此图纸修建的教堂在德国还有一处。
江苏路基督教堂外部与内部照片
1无人机倾斜摄影技术
无人机倾斜摄影测量测试通过飞机或无人机搭载5个相机从前、后、左、右、垂直五个方向对地物进行拍摄，再通过内业的几何校正、平差、多视影像匹配等一系列的处理得到的具有地物全方位信息的数据。
江苏路基督教堂无人机航拍采集图
倾斜摄影测量的数据本质上来是mesh模型， mesh模型就是网格面模型，它是点云通过一些算法，比如区域增长法、八叉树算法和波前算法等等构成的。而点云是在同一空间参考系下用来表示目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。内业软件基于几何校正，联合平差等处理流程，可计算出基于影像的超高密度点云，点云再构建TIN（不规则三角网）模型，最后经过纹理映射构建真实三维模型。
高密度点云丨不规则三角网模型
江苏路基督教堂倾斜摄影三维模型
2三维激光扫描技术
江苏路基督教堂内部重建三维模型运用和巴黎圣母院相同的三维激光扫描技术，误差仅在五毫米左右。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光， 同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。
江苏路基督教堂激光点云丨巴黎圣母院激光点云
再经过噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构后，就可以进行三维建模， 还原扫描日标的本来面日。激光扫描非接触的测量方式不会对扫描对象造成损伤，在技术层面上加强了被扫描对象的保护力度。因此，三维激光扫描技术用于文物保护具有精准性、适用性和可靠性的特点。
江苏路基督教堂激光点云生成模型
3VR虚拟现实技术
VR虚拟现实技术是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。江苏路基督教堂VR系统集成周边无人机全景照片，可以从空中俯瞰视角展现青岛特色旅游景点与美丽的城市肌理；使用倾斜摄影模型来展示基督教堂外部面貌与周边环境，实现在实地行走观赏真实体验；使用激光扫描生成的教堂内部模型，通过优化与灯光处理实现教堂内部的百分百还原，让人可以不出门即可在教堂内部实地浏览；结合历史资料，在场景内使用文字图片声音结合的方式，通过虚拟交互来展示基督教堂的历史。
总 结
综上所述，我院自主开发的无人机倾斜摄影+三维激光扫描+VR虚拟现实的综合解决方案等三维实景还原技术在历史保护建筑中的综合应用，实现了从宏观到中观微观，多高空鸟瞰到街景到室内，分辨率从米到厘米到毫米，从三维视觉体验到VR交互式体验的技术路径的整合，不但为历史城区、街区、单体建筑的文物保护和文物测绘搭建了真实精细的三维数据模型，在后续的历史建筑活化利用、文化推广等方面同样具有广阔的应用空间。下步，我院也将尝试有计划地为全市515处文物保护单位和206处历史优秀建筑，建立一套的完整，详实的三维数字化档案，紧跟三维实景还原技术的前沿应用，为青岛市历史建筑保护工作做出应有的贡献。
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