摘 要：后工業(yè)時(shí)代的工業(yè)遺產(chǎn)如何得到有效的保護(hù)和利用已成為近年來非常重要的研究課題。傳統(tǒng)線劃圖的表達(dá)方式難以將工業(yè)遺產(chǎn)完整呈現(xiàn)；而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將工業(yè)遺址的原貌完整呈現(xiàn)于計(jì)算機(jī)中，為工業(yè)遺產(chǎn)的保護(hù)提供技術(shù)支撐。本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)在工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用，并以首鋼廠區(qū)和首鋼二通廠為例介紹了項(xiàng)目中建設(shè)虛擬場景所使用的技術(shù)路線，為其它同類項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；三維虛擬場景；地面激光掃描；車載激光掃描

一、引言

隨著社會的發(fā)展和變革，許多城市已經(jīng)逐漸向后工業(yè)時(shí)代轉(zhuǎn)變，一些原有的重工業(yè)已逐漸不能適應(yīng)城市發(fā)展的總體需求，停產(chǎn)搬遷后的廠區(qū)內(nèi)，原有廠房與工業(yè)設(shè)備被逐步廢棄使用，形成了新時(shí)代的工業(yè)遺產(chǎn)。這些工業(yè)遺產(chǎn)是社會快速城市化的必然產(chǎn)物，是標(biāo)志工業(yè)時(shí)代文明的特殊烙印和標(biāo)記。如何對工業(yè)遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)與再利用是近些年來非常重要的研究課題[1]。

傳統(tǒng)的工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)和再利用是利用數(shù)字線劃圖將工業(yè)廠區(qū)的各類要素表現(xiàn)在平面圖上，然而這種方法很難完整呈現(xiàn)空間的信息，并且識別數(shù)字線劃圖需要一定的專業(yè)知識，不能直觀體現(xiàn)各類要素。本課題利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了工業(yè)遺產(chǎn)三維重建，完整再現(xiàn)了廠區(qū)的真實(shí)原貌，為工業(yè)遺產(chǎn)的保護(hù)和再利用提供了技術(shù)保障。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心是模擬和仿真，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于城市規(guī)劃、文物保護(hù)、應(yīng)急保障等方面。

本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在首鋼廠區(qū)及首鋼二通廠工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)的應(yīng)用，并對兩處虛擬場景建設(shè)中使用的技術(shù)路線進(jìn)行了具體描述，為其它同類項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

二、項(xiàng)目介紹

首鋼廠區(qū)虛擬場景建設(shè)了北京首鋼廠區(qū)約7.8平方公里的三維場景。隨著北京市城市的發(fā)展，首鋼重工業(yè)廠區(qū)同城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的矛盾越來越明顯，如何科學(xué)規(guī)劃、合理保護(hù)、適度改造這些工業(yè)遺產(chǎn)成為重要的研究課題。慎重對待首鋼工業(yè)遺產(chǎn)，維護(hù)整體工業(yè)風(fēng)貌，對首鋼工業(yè)遺產(chǎn)及周邊文物進(jìn)行保護(hù)性建設(shè)，不僅能夠完整保護(hù)首鋼工業(yè)廠區(qū)、使廠區(qū)能夠見證工業(yè)歷史，并且能夠使廠區(qū)成為具有活力的獨(dú)特文化區(qū)域。在此次建設(shè)中，對廠區(qū)和周邊文物進(jìn)行了測量，并建立了整個(gè)廠區(qū)的三維虛擬場景，建設(shè)內(nèi)容包括建筑物、道路、地面、管道、樹木、灌木叢、鐵軌、雕塑、路燈、圍墻、亭子和山體等，使改造前整個(gè)廠區(qū)的原貌能夠完整保存下來，并且為廠區(qū)改造提供數(shù)據(jù)支撐，為工業(yè)文化遺產(chǎn)保護(hù)與再利用，探索出一條科學(xué)創(chuàng)新的道路。

首鋼二通廠虛擬場景建設(shè)了北京首鋼二通廠改造核心區(qū)約0.18平方公里的三維場景。首鋼二通廠自1958年建廠后一直生產(chǎn)鋼鐵，隨著當(dāng)今社會發(fā)展，原有廠區(qū)的功能定位逐漸不能適應(yīng)北京市發(fā)展的總體需求，許多廠房與工業(yè)設(shè)備已逐步廢棄使用。為了對廠區(qū)工業(yè)遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)與再利用，首鋼成立了二通實(shí)驗(yàn)區(qū)管委會，并啟動了對整個(gè)廠區(qū)的三維虛擬化建設(shè)。首鋼二通廠三維虛擬場景建設(shè)了整個(gè)改造核心區(qū)的三維模型，包括廠房、道路、地面、綠地植被、鐵軌和天車等設(shè)施。其中6棟主要廠房采用三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，對其中5棟進(jìn)行內(nèi)外部精細(xì)建模；其余建筑物參照二通廠現(xiàn)況地形圖，實(shí)測建筑物高度進(jìn)行三維建模。虛擬場景的建設(shè)為二通廠的保護(hù)、開發(fā)、再利用提供技術(shù)保障。置身于三維虛擬場景中，如同身處真實(shí)的廠區(qū)。

三、技術(shù)路線

由于首鋼廠區(qū)和首鋼二通廠廠區(qū)的各類要素較復(fù)雜，針對不同類型的要素，本課題采用了不同的技術(shù)方法進(jìn)行三維建模。

對于一般的廠房、居住用房，使用基于數(shù)字線劃圖的方法進(jìn)行三維建模；對于重點(diǎn)廠房、復(fù)雜工業(yè)設(shè)備，使用地面激光掃描儀進(jìn)行三維建模；對于錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)管道，使用車載激光掃描儀進(jìn)行三維建模。

（1）基于數(shù)字線劃圖的建模技術(shù)路線

對于一般的廠房、居住用房等建筑物、道路、地面等地物，本課題使用傳統(tǒng)的建模方法，使用數(shù)字線劃圖獲取地物平面位置，基于正射影像獲取頂部結(jié)構(gòu)，采用外業(yè)現(xiàn)場拍照的方法采集地物紋理照片，通過外業(yè)測量獲取建筑物主體頂部高程數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)使用Photoshop軟件進(jìn)行紋理照片的處理，使用3Ds Max軟件進(jìn)行模型制作、模型格式轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)入三維虛擬平臺中進(jìn)行場景整合。三維建模流程圖如下圖所示：

使用此種方法建設(shè)的三維模型如圖2所示，左圖為虛擬場景中首鋼廠東門，右圖為場景中首鋼廠內(nèi)石景山功勛閣。

此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分利用已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，技術(shù)較為成熟，構(gòu)建的三維模型數(shù)據(jù)量較小。缺點(diǎn)在于對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不易把握，缺少空間位置信息，無法確定復(fù)雜工業(yè)管道的連接關(guān)系。

（2）基于地面激光掃描儀的建模技術(shù)路線

對于首鋼和首鋼二通廠廠區(qū)需重點(diǎn)保護(hù)的廠房，制作時(shí)需要較高的空間精度及紋理精細(xì)度，本課題使用地面三維激光掃描儀進(jìn)行掃描后制作。首先使用地面三維激光掃描儀對各站進(jìn)行掃描，獲取各站的三維激光點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用三維處理軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的廠房點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取廠房的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。采用外業(yè)的方法采集地物的影像數(shù)據(jù)，處理后對廠房進(jìn)行紋理貼圖，從而獲取廠房的精細(xì)三維模型數(shù)據(jù)。最后，將三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，導(dǎo)入到三維虛擬場景平臺中進(jìn)行整合。三維建模流程圖如圖3所示。

使用地面激光掃描儀建設(shè)的三維模型效果如圖4所示。其中圖（a）為首鋼廠三號高爐激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖（b）為三號高爐三維模型，圖（c）為首鋼二通廠廠房三維模型。

此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠完全獲取地物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，空間精度和紋理精細(xì)度較高，能夠?qū)?xì)節(jié)進(jìn)行良好的表現(xiàn)。缺點(diǎn)在于地面激光掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，后期處理較為復(fù)雜，需要的工作量較大。

（3）基于車載激光掃描的建模技術(shù)路線

首鋼廠區(qū)管道錯(cuò)綜復(fù)雜，在建設(shè)三維虛擬場景時(shí)，管道的建設(shè)是難點(diǎn)。利用數(shù)字線劃圖進(jìn)行建模的方法很難獲取管道的空間位置及相對關(guān)系，進(jìn)行管道的制作時(shí)可能造成管道無法連接。利用照片進(jìn)行推斷需要大量的人工參與，且容易造成數(shù)據(jù)誤差。為此，本課題選取首鋼廠區(qū)部分復(fù)雜管道，利用車載激光掃描獲取數(shù)據(jù)的辦法進(jìn)行管道三維模型的制作，并形成了完整的工藝流程[3]。

管道建模中，首先使用車載激光掃描平臺進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，車載平臺搭載的數(shù)碼相機(jī)可同時(shí)獲取管道的紋理照片。將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為交換格式，導(dǎo)入到Cyclone軟件中進(jìn)行管道模擬。從采集的紋理照片中獲取管道紋理細(xì)節(jié)，在3Ds MAX軟件中進(jìn)行后期處理及貼圖。最后進(jìn)行模型格式轉(zhuǎn)換和場景合成，即可得到完整的管道模型。整個(gè)管道建模的流程圖如圖5所示。

使用車載激光掃描建設(shè)的管道三維模型效果如圖6和圖7所示。其中圖6為管道照片和三維場景中管道模型的對比，左圖為實(shí)際拍攝的管道照片，右圖為三維虛擬場景中管道三維模型。圖7為管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型對比，左圖為使用車載激光掃描的管道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，右圖為處理后的管道三維模型。

此種方法的優(yōu)點(diǎn)在于采集效率較高，能夠準(zhǔn)確獲取管道的連接關(guān)系。由于車載平臺搭載數(shù)碼相機(jī)，可以在點(diǎn)云獲取的過程中同時(shí)得到紋理照片，大大縮短了人工拍攝紋理照片的工作量。缺點(diǎn)在于車輛只能掃描到道路兩側(cè)的地物，內(nèi)部的地物信息無法獲取。

本課題綜合采用上述三類方法建設(shè)了首鋼廠區(qū)和首鋼二通廠廠區(qū)的三維虛擬場景，在后期處理中，利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺對三維模型進(jìn)行整合，使所有三維模型能夠完整地融合在一起。整合完成的首鋼廠三維虛擬場景如圖8所示，首鋼二通廠三維虛擬場景如圖9所示。

四、總結(jié)與展望

三維虛擬場景建設(shè)為首鋼廠區(qū)和首鋼二通廠的工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)提供了新的思路，在此課題中，綜合運(yùn)用了基于數(shù)字線劃圖、地面三維激光掃描儀和車載激光掃描的方法進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)的建設(shè)?；跀?shù)字線劃圖的方法能夠充分利用已有資源和成熟技術(shù)，保證整個(gè)三維虛擬場景的數(shù)據(jù)量在可控的范圍內(nèi)；基于地面三維激光掃描儀的方法能夠?qū)臻g精度進(jìn)行補(bǔ)充，完成基于數(shù)字線劃圖無法建設(shè)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；基于車載激光掃描的方法能夠?qū)?fù)雜的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，由于車輛的可移動性，效率較地面激光掃描儀顯著提高。

該成果的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

（1）利用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法對兩處工業(yè)遺產(chǎn)的原貌進(jìn)行了保存，如此大范圍的高質(zhì)量三維模型在廠區(qū)進(jìn)行改造升級的各個(gè)階段過程中都能夠發(fā)揮服務(wù)功能，大到對各個(gè)功能區(qū)的布局和方案的對比，小到一草一木的安插擺放。并且三維數(shù)字化的首鋼廠也將作為歷史資料留存，為工業(yè)遺址的保護(hù)再利用發(fā)揮作用。

（2）在虛擬場景的建設(shè)中采用了地面激光掃描儀對復(fù)雜廠房和工業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型建設(shè)，真實(shí)再現(xiàn)了首鋼二通廠的廠房和首鋼的復(fù)雜工業(yè)設(shè)備，為其它工業(yè)遺產(chǎn)保護(hù)類項(xiàng)目提供參考。

（3）三維虛擬場景建設(shè)中復(fù)雜的管道使用車載激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，得到了管道的空間信息，生成了高精度的工業(yè)管道三維模型，為工業(yè)管道的三維建模提供了新的技術(shù)參考。

相信隨著智慧城市的建設(shè)和新技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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全國工程測量2012技術(shù)研討交流會論文集，2012： 92-94.

作者簡介：張輝，女，28歲，北京市測繪設(shè)計(jì)研究院工程師。