文化遗产三维信息采集与应用基础研究

习近平总书记强调：“历史文化是城市的灵魂，要像爱惜自己的生命一样保护好城市历史文化遗产。”国家的文物保护工作是当今社会的“刚需”，此工作“功在当代、利在千秋”。中国优秀的古代建筑是世界文化遗产的瑰宝，蕴含着丰富而珍贵的历史文化信息。由于中国古代建筑是以木质材料为主，易腐、易燃，极易受到自然灾害和人为破坏的影响。因此，多年以来除了积极开展实物保护工作之外，如何快速、完整、准确地获取和记录保存现有这些珍贵的文物（文化遗产）信息，始终是文物保护工作者所面临的挑战。
《文化遗产三维信息采集与应用基础研究》是以我中心（基地）在三维激光采集及数字化信息处理与保存技术等方面现阶段的研究成果为基础编写而成的，《文化遗产三维信息采集与应用基础研究》的内容主要围绕文物建筑三维信息采集技术的全过程展开，旨在回应文物建筑信息获取、记录及保存等方面面临的种种最直接的技术难题。此外，基于相关研究成果和广大的行业同仁的共同努力，我中心和北京市古代建筑研究所还共同主持完成了北京市文物局委托的首部北京市地方标准——《文物建筑三维信息采集技术规程》，并于2021年正式发布。相信《文化遗产三维信息采集与应用基础研究》及该标准的出版发布将会有效地促进北京及国内其他地区文物建筑三维信息采集技术水平的提升，同时也将进一步助力保护事业的发展。

第1章 文保数字化技术概览 1
1.1 文物保护数字化的现实需求 1
1.2 文物保护数字化技术内容 2
1.2.1 数字化信息采集技术 3
1.2.2 数字化信息处理与还原技术 4
1.2.3 数字化展示技术 5
1.3 三维激光采集技术概述 10
1.3.1 三维激光在中国古建信息采集中的优势 11
1.3.2 三维激光在中国古建筑信息采集中的不足 13
1.4 国内外行业背景介绍 17
1.4.1 国外行业背景 17
1.4.2 国内行业背景 22
1.5 本书主要内容 29
第2章 三维激光扫描古建筑采集精度研究 32
2.1 引言 32
2.2 三维扫描采集的原理 33
2.2.1 TOF飞时测距类激光扫描原理 34
2.2.2 结构光三维扫描原理 36
2.3 影响三维采集精度的因素 37
2.3.1 正确认识三维扫描的“精度” 39
2.3.2 三维扫描误差产生原因分析 41
2.4 扫描距离与入射角对精度的影响 44
2.5 三维扫描点云精度分析判定 47
2.5.1 实验仪器 48
2.5.2 实验过程 49
2.6 其他影响点云数据质量因素 56
2.7 本章小结 57
第3章 三维激光扫描古建筑采集布站研究 59
3.1 引言 59
3.2 与大地坐标对接的局域网布设研究 60
3.2.1 古建室外控制局域网布设 61
3.2.2 古建室内控制局域网布设 64
3.2.3 控制网及大地坐标的导入与使用 70
3.3 三维激光扫描布站研究 73
3.3.1 布站优化的理论可行性 73
3.3.2 以工程图为标准的布站优化研究 81
3.4 三维采集仪器介绍与选型 97
3.4.1 TLS类三维激光扫描仪 97
3.4.2 其他扫描仪类型 106
3.4.3 采集需求与对应扫描仪选择 114
3.5 本章小结 116
第4章 三维数据拼接研究 117
4.1 引言 117
4.2 点云测量误差及拼接影响研究 118
4.2.1 测量误差试验 118
4.2.2 拼接测量精度影响试验 125
4.2.3 点云误差及拼接试验总结 133
4.3 主流平台自动拼接流程及精度对比 134
4.3.1 Z+F的 Laser Control Scout 135
4.3.2 FARO的 SCENE 137
4.3.3 RIEGL的 RiSCAN PRO 137
4.3.4 精度对比结果 141
4.4 人工辅助精调 146
4.5 本章小结 149
第5章 三维数据压缩存储研究 150
5.1 引言 150
5.2 点云数据压缩方式 151
5.2.1 点云存储原理及压缩方式概述 152
5.2.2 主流点云数据压缩方式 159
5.2.3 平台点云数据压缩比例测试 166
5.3 通过降维进行压缩的新思路 167
5.3.1 基于Mesh模型数据的压缩 167
5.3.2 什么是“降维压缩” 176
5.3.3 置换贴图 178
5.3.4 Zbrush制作置换贴图及高模还原 185
5.3.5 精度误差及压缩比统计 194
5.4 本章小结 197
第6章 三维数据古建筑工程图转化研究 198
6.1 引言 198
6.2 正射影像转化现状三视图研究 199
6.2.1 现状正射点云图 199
6.2.2 现状正射点云图的优势 202
6.2.3 现状正射点云图转化CAD 204
6.2.4 利用深度学习转化CAD 209
6.3 三维模型工程图转化研究 214
6.3.1 点云截面线辅助建模 215
6.3.2 利用特征拟合辅助建模 219
6.3.3 利用关键点辅助建模 221
6.3.4 以原真性和完整性为基础的复合模型 222
6.3.5 三维模型转化CAD图纸 224
6.4 本章小结 226
第7章 结语与展望 227
7.1 主要成果 227
7.2 创新点 229
7.3 未来展望 229
参考文献 231