三维GIS古建筑重建与管理

三维GIS古建筑重建与管理葛 峤 王海葳 饶顺斌 赵红蕊清华大学3S中心 北京 100084Email:zhaohongrui@摘要：本文研究了使用三维GIS进行古建筑三维建模的方法。

经过实地数据采集，在3ds max7中建立了三维模型。

在ArcObjects和Visual Basic6的支持下，开发出了集三维数据转换、属性库编辑和三维动态可视化为一体的三维GIS程序——3D古建筑GIS。

作为该程序的一个实际应用，使用该程序完成了对清华大学校园内的一座古亭——荷塘月色亭的三维GIS重建。

关键词：古建筑 三维GIS 三维建模 ArcObjectsAbstract: the research is about 3D GIS based ancient architecture modeling modeling. According to the data collected in the field, we built a 3D digital model in the 3ds-max7 software. Then a 3D GIS program named 3D-ancient architecture-GIS (3DAAGIS), which includes the 3D data conversion function, the attribute fields editing function and the 3D dynamic visualization function, is developed by using the ArcObjects method and Visual Basic6. As a 3D modeling application in the 3D GIS, we modeled the He-Tang-Yue-Se Pavilion, an old pavilion in the Tsinghua University campus, using the 3DAAGIS program.Keywords：ancient architecture, 3D GIS, 3D modeling, ArcObjects1. 概述中国的古代建筑具有极为重要的地位，为了继承、弘扬这些珍贵的文化遗产，人们对古建筑进行修缮、重建、复原以及采取各种保护措施。

以三维全景测量和3D GIS为技术特征的数字古建筑不仅能实现对古建筑群的虚拟再现，还能对古建筑物的构造、功能、安装过程、各种图片文字资料等艺术细节进行存储管理[ 1 ]。

3D GIS相关研究中，龚健雅提出了以矿山、地质为背景用面向对象的思想设计的矢量与栅格集成三维数据模型[ 2 ]；常歌概括了物体三维模型可分为基于体表示和基于面表示两大类，其中具有代表性的是结构实体表示和边界表示方法[ 3 ]，提出了九类建筑物的几何结构以进行建模[ 4 ]，这种建筑物3D模型建立的方法常常被CAD建模工作者采用；李德仁提出三种三维空间数据模型集成：其中用于城市三维建模采用TIN和CSG的集成模型[ 5 ][ 6 ]，鲁东图1 实地拍摄的荷塘月色亭照片明等采用手工建模和基于Morphing的IBR方法以及多分辨率模型方法实现敦煌石窟虚拟重现与漫游[ 7 ]；意大利罗马大学的Angela Antonicelli等人正在进行的Plinius工程，研究建立庞贝城的虚拟现实模型[ 8 ]。

为此，我们针对复杂形体的古建筑三维建模，在3ds max7中建立了三维模型。

在ArcObjects和Visual Basic6的支持下，开发出了集三维数据转换、属性库编辑和三维动态可视化为一体的3D古建筑GIS。

2. 三维建模对象2.1. 对象选择朱自清先生的《荷塘月色》脍炙人口，位于清华大学校园近春园遗址的荷塘月色亭是一座清式风格的六角攒尖顶古亭，亭内有朱自清先生亲笔题写的“荷塘月色”匾额，此亭可代表非规则形状的古建筑，且其周边易于架设仪器采集数据，因此我们选择此古亭作为研究对象（见图1）。

2.2. 建模数据采集荷塘月色亭整体结构为中心对称的正六边形，三维建模的时候可以通过复制、旋转等方法来生成相同的部分，测量时只需测量正六边形一个边上的构件尺寸。

规则构件可以借助于简单的测量方法获取数据，屋面是一个空间三维扭曲、弯转的构件，因此需要对其设置多个控制点进行测量，然后通过建模软件生成。

表1：古亭三维建模所采集数据*名称 截面 长度（厚度） 材料 数量台基1 正六边形，边长3300mm 100mm 石 1台基2 正六边形，边长2600mm 450mm 石 1柱础 上圆半径140mm下圆半径190mm35mm 石 6檐柱 半径110mm 2830mm 木 6坐凳面1 长2015mm宽200mm50mm 木 4坐凳面2 长550mm宽200mm50mm 木 4棂条 半径5mm — 木 — 雀替 — — 木 12 格框 400mm×2015mm 80mm 木 6 檐枋 200mm×100mm 2015mm 木 6 檐垫板 150mm×80mm 2015mm 木 6 檐檩 半径75mm 2015mm 木 6 耍头 — — 木 6 角云 — — 木 6 老角梁 200mm×150mm 950mm 木 6 子角梁 200mm×150mm 2560mm 木 6 由戗 200mm×150mm 1285mm 木 6抹角梁 200mm×150mm 3060mm 木 6瓜柱 正六边形，边长75mm 200mm 木 6金檩 半径75mm 1020mm 木 6雷公柱 — — 木 1飞椽 45mm×45mm — 木 114檐椽 半径22.5mm — 木 114小连檐 — 70mm 木 6大连檐 — 150mm 木 6屋面 — 170mm 石 6屋脊 圆半径50mm 500mm 石 6宝顶 — — 石 1 *表1数据说明：棂条由于数目很多，而且长短不一，因此长度、数量栏空缺；雀替、耍头、角云、雷公柱和宝顶的几何形状不规则，因此其截面和长度栏空缺；小连檐、大连檐和屋面为空间扭曲的几何形状，但其厚度是均匀的，因此只记录了厚度，而截面栏空缺。

纹理数据采集使用的是SONY公司产的DSC-P73相机，拍摄图像的分辨率为2304象素×1728象素，为该数码相机的最高分辨率，总共拍摄20张图像。

3. 三维数据建模建模所使用的软件是Autodesk公司的三维建模软件3ds max7，表面贴图修复使用的是Adobe公司的平面图像软件Photoshop。

檐柱等几何形状规则的构件可以通过使用3ds max7中的3D基本体直接创建，如图2所示。

而对于屋面这种空间几何扭曲的构件则建模相对比较复杂。

首先是在顶视图中按照屋面的正投影画出线框，然后是用挤出命令按指定厚度生成网格。

最后使用3dsmax7中的FFD修改器来修改几何体。

FFD修图2 檐柱的创建图3 调整后的屋面形状图4 屋面改器通过使用晶格框包围选中的几何体，只需通过调整晶格的控制点，就可以很方便的改变封闭几何体的形状。

结合测量6个控制点的相对位置数据调整晶格，最后得到屋面的几何模型，如图3所示。

使用旋转和复制命令，得到最后的屋面如图4所示。

其他构件如小连檐、大连檐和屋面有着相同的几何形态，只是厚度不同，因此都使用上述相同的步骤来建立模型。

对于棂条这种数目多而尺寸单一的构件，采取的是先用样条线画出其中心线，然后使用“放样”命令，在中心线上放样一个圆形的截面，最后进行布尔合并操作，形成最终的模型。

如图5所示。

图6为未进行纹理贴图的几何模型。

模型的所有构件都是通过以上方法进行建模的。

图3.13～图3.16为最终完成的三维模型在3ds max 中各个视角的截图。

4. 三维古建筑GIS 的建立在3ds max7中虽然能创建古建筑的三维模型，但该模型并不具有属性，即它并不具有可供人们查询的信息。

举个例子来说，我们虽然能在3ds max 中看到一根真实存在的梁，但是这根梁的材料、长短、截面尺寸、年代、工艺等信息人们是无法在3ds max 模型中直接获取到的。

然而，这些不能直接获取的信息却往往是非常重要的，尤其是在对古建筑的保护过程中，没有属性的模型就只能成为供人们观赏的景观，而不能用于对古建筑的分类、保护方法的决策等。

图6 未进行纹理贴图的几何模型图5 棂条图7荷塘月色亭3ds max 模型——透视图 图8荷塘月色亭3ds max 模型——仰视图三维古建筑GIS 包括如下几个部分： 4.1. 三维模型数据转换程序在3ds max7中虽然能创建古建筑的三维模型，但是这个模型并不具有属性，即它并不具有可供人们查询的信息。

然而，这些不能直接获取的信息却往往是非常重要的，尤其是在对古建筑的保护过程中，没有属性的模型就只能成为供人们观赏的景观，而不能用于对古建筑的分类、保护方法的决策等。

正因为如此，将3ds max 中建立的三维模型进行转换，使其能够具有属性特征，举例而言，我们希望不仅能看到一根真实存在的梁，而且可以查询这根梁的材料、长短、截面尺寸、年代、工艺等信息，这是古建筑保护中的需求，也是本文中最为关键的一部分。

在3ds max7中完成三维建模并且导出生成3ds 文件后，通过三维模型数据转换程序进行3ds 文件到Geodatabase 数据模型的转换。

用户可以指定要被导入的数据库，并且指定生成的属性类的名称。

在文件转换的同时生成对象的属性表。

4.2. 三维模型属性编辑程序数据转换后，需要为Geodatabase 中模型添加并且能够修改属性表，以满足用户查询需要。

在转换过程中已经默认添加了“年代”、“材质”和“作用”三个属性表，但是由于每个构件都有着自己独特的不同于其他构件的属性，因此还应该有由用户手动添加属性表的功能；此外，还应该具有删除属性列、更改属性的功能。

为了提高修改效率，对属性表的编辑、修改是实时的，即在用户更改了对象的属性之后，更改过的值会自动覆盖原来的值。

属性编辑程序同样使用ArcObjects 和Visual Basic6进行编写，在对属性表的操作过程中使用了SQL 查询语句。

4.3. 三维模型动态浏览程序完成了3ds 文件到Personal Geodatabase 的转换和属性编辑之后，需要建立一个能对转换后的模型进行浏览的程序，以满足用户对三维模型进行三维动态浏览和漫游的功能。

三维模型动态浏览程序应能满足用户对三维模型的动态浏览和漫游功能，使得用户能够方便的查看模型的各个部分和查询模型的各种信息。

具体的功能应包括在视口中对对象进行放大、缩小、平移、动态观察、漫游、书签浏览、属性识别等。