建筑遗产测绘中光学测量成果的关键图学表达方法研究

Optical measurement technology such as laser scanning and photogrammetry improves the metric accuracy in architectural heritage surveying and expands the coverage of surveying to a wider range, but how to translate and utilize the raw results of optical measurement, points cloud and raster images, is a technological bottleneck. The CAD-based graphic representation tends to decrease the dimension and abundance of measured data. The topic studies key methods of graphic representation by translating: 3D geometric data embodied in points cloud to BIM-CAD for single work of architecture via semantic segmentation, features extraction, etc.; color and disease embodied in raster images to GIS-CAD for surface of architecture and large-scale architecture via coordinate registration, ortho-rectification, vector-raster integration, etc. As the current surveying hierarchy in China is mainly based on 2D geometric data in CAD, the key issue in the studied workflow is distinguishing different levels of surveying hierarchy with reference to graphic representation of 3D geometry, color and disease of architectural heritage. The topic attempts to promote translation of optical measurement technology in terms of efficiency and completeness. The studied graphic representation is expected to support technical intervention for architectural heritage conservation, not only in terms of drawing production out of various levels of surveying hierarchy, but also in terms of disease documentation, analysis and simulation, and change detection.

在建筑遗产测绘中，激光扫描和摄影测量等光学测量技术带来了测量精度和测量范围的飞跃，但光学测量原始成果——点云模型和栅格图像——的转化与利用是一个技术瓶颈，基于单一CAD的图学表达存在数据维度降低、数据丰富性损耗等问题。课题通过语义区分和特征提取等方法将点云模型转化为BIM-CAD模型，用于建筑单体三维几何信息的记录与分析；通过坐标配准、正射纠偏、栅格与矢量转化等方法将栅格图像转化为GIS-CAD模型，用于建筑表面色彩与病害、以及大尺度建筑遗产及其周边环境的记录与分析。其中，如何把目前我国主要基于CAD二维绘图的测绘需求层级拓展到三维几何、色彩、病害等信息是图学表达中的关键。课题旨在通过对关键图学表达方法的研究，促进光学测量成果高效、完整的转化，使其不仅可以满足基于不同需求层级的测绘图生成，还可以用于病害记录、分析与模拟、变化检测等用途，为建筑遗产保护的技术干预提供数据支持。

近年来传感器技术和算法发展迅猛，推动建筑遗产测量在精度、分辨率、覆盖范围等方面的飞跃，然而建筑学处理、表达、传播新兴测量成果的图学技术远远滞后。从帕拉迪奥到营造学社再到CAD的普及，建筑学的测绘始终以输出图形为结果，然而新兴测量技术生成的是图像。建筑学亟需建立起解释、评估、改进图像技术的图学方法，弥合测量与保护之间的裂缝。. 项目在微观上以明代砖石建筑为例，建立了用BIM在不同测绘层级上表达测绘成果的方法，该方法结合可视化编程与开源工具，避免了点云的降维表达，并通过IFC代理自定义病害等参数，提高了BIM在建筑遗产测绘中的“可用性”，有助于保护工程中非图学信息整合、多学科协作、长周期管理；宏观上，以青藏高原佛教寺院为例，结合多源、历时卫星遥感数据，在GIS中建立数据库、归纳选址规律，监测其1993-2013年间周边城镇化水平的改变，不仅为大尺度建筑遗产的风险评估提供了参照，而且建立了图形-图像计算的一系列方法。. 项目采集了一批重要测量数据——涵盖六朝陵墓、明代砖构、西藏佛塔、江南园林、近代建筑等类型，编写了自定义BIM模型参数的代码（基于Grasshopper）和校正激光扫描强度数据（原始强度随距离和角度而改变）的代码（基于Matlab）——未来可在砖石建筑病害的无损检测中发挥作用，而且在个人科研主页上公开发布了一批建筑遗产的三维数字模型与web-GIS专题地图，起到了科普作用。. 从技术问题溯源，项目交叉建筑学、保护科学、图学的视野，探究了建筑遗产测绘中的图学问题。国内建筑学的图学教育——工程图学——是普适于工程学的图学方法论，传统上与工程测量、建筑史构成了古建筑测绘的知识体系。然而，当传感器技术取代工程测量、遗产保护也是测绘的应有之义时，需要整合计算机图形学、图像处理、计算机视觉、机器学习等领域的方法，形成新的图学方法论（可视计算），以涵盖图像技术、逆向建模、无损检测等。从工程图学到可视计算的革新，是建筑遗产保护的需要，也是建筑学在图学维度上革新的潜在方向。