虚拟现实技术在工业遗产保护中的应用

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摘 要：后工业时代的工业遗产如何得到有效的保护和利用已成为近年来非常重要的研究课题。传统线划图的表达方式难以将工业遗产完整呈现；而利用虚拟现实技术，可以将工业遗址的原貌完整呈现于计算机中，为工业遗产的保护提供技术支撑。本文介绍了虚拟现实在工业遗产保护中的应用，并以首钢厂区和首钢二通厂为例介绍了项目中建设虚拟场景所使用的技术路线，为其它同类项目提供参考。

关键词：工业遗产保护；虚拟现实；三维虚拟场景；地面激光扫描；车载激光扫描

一、引言

随着社会的发展和变革，许多城市已经逐渐向后工业时代转变，一些原有的重工业已逐渐不能适应城市发展的总体需求，停产搬迁后的厂区内，原有厂房与工业设备被逐步废弃使用，形成了新时代的工业遗产。这些工业遗产是社会快速城市化的必然产物，是标志工业时代文明的特殊烙印和标记。如何对工业遗产进行保护与再利用是近些年来非常重要的研究课题[1]。

传统的工业遗产保护和再利用是利用数字线划图将工业厂区的各类要素表现在平面图上，然而这种方法很难完整呈现空间的信息，并且识别数字线划图需要一定的专业知识，不能直观体现各类要素。本课题利用虚拟现实技术进行了工业遗产三维重建，完整再现了厂区的真实原貌，为工业遗产的保护和再利用提供了技术保障。

虚拟现实技术是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[2]。虚拟现实技术的核心是模拟和仿真，随着计算机技术的高速发展，虚拟现实技术越来越多地被应用于城市规划、文物保护、应急保障等方面。

本文介绍了虚拟现实技术在首钢厂区及首钢二通厂工业遗产保护的应用，并对两处虚拟场景建设中使用的技术路线进行了具体描述，为其它同类项目的建设提供参考。

二、项目介绍

首钢厂区虚拟场景建设了北京首钢厂区约7.8平方公里的三维场景。随着北京市城市的发展，首钢重工业厂区同城市规划设计的矛盾越来越明显，如何科学规划、合理保护、适度改造这些工业遗产成为重要的研究课题。慎重对待首钢工业遗产，维护整体工业风貌，对首钢工业遗产及周边文物进行保护性建设，不仅能够完整保护首钢工业厂区、使厂区能够见证工业历史，并且能够使厂区成为具有活力的独特文化区域。在此次建设中，对厂区和周边文物进行了测量，并建立了整个厂区的三维虚拟场景，建设内容包括建筑物、道路、地面、管道、树木、灌木丛、铁轨、雕塑、路灯、围墙、亭子和山体等，使改造前整个厂区的原貌能够完整保存下来，并且为厂区改造提供数据支撑，为工业文化遗产保护与再利用，探索出一条科学创新的道路。

首钢二通厂虚拟场景建设了北京首钢二通厂改造核心区约0.18平方公里的三维场景。首钢二通厂自1958年建厂后一直生产钢铁，随着当今社会发展，原有厂区的功能定位逐渐不能适应北京市发展的总体需求，许多厂房与工业设备已逐步废弃使用。为了对厂区工业遗产进行保护与再利用，首钢成立了二通实验区管委会，并启动了对整个厂区的三维虚拟化建设。首钢二通厂三维虚拟场景建设了整个改造核心区的三维模型，包括厂房、道路、地面、绿地植被、铁轨和天车等设施。其中6栋主要厂房采用三维激光扫描技术获取数据，对其中5栋进行内外部精细建模；其余建筑物参照二通厂现况地形图，实测建筑物高度进行三维建模。虚拟场景的建设为二通厂的保护、开发、再利用提供技术保障。置身于三维虚拟场景中，如同身处真实的厂区。

三、技术路线

由于首钢厂区和首钢二通厂厂区的各类要素较复杂，针对不同类型的要素，本课题采用了不同的技术方法进行三维建模。

对于一般的厂房、居住用房，使用基于数字线划图的方法进行三维建模；对于重点厂房、复杂工业设备，使用地面激光扫描仪进行三维建模；对于错综复杂的工业管道，使用车载激光扫描仪进行三维建模。

（1）基于数字线划图的建模技术路线

对于一般的厂房、居住用房等建筑物、道路、地面等地物，本课题使用传统的建模方法，使用数字线划图获取地物平面位置，基于正射影像获取顶部结构，采用外业现场拍照的方法采集地物纹理照片，通过外业测量获取建筑物主体顶部高程数据。内业使用Photoshop软件进行纹理照片的处理，使用3Ds Max软件进行模型制作、模型格式转化，最终导入三维虚拟平台中进行场景整合。三维建模流程图如下图所示：

使用此种方法建设的三维模型如图2所示，左图为虚拟场景中首钢厂东门，右图为场景中首钢厂内石景山功勋阁。

此种方法的优点在于能够充分利用已有的数据进行三维建模，技术较为成熟，构建的三维模型数据量较小。缺点在于对内部结构和一些复杂的结构不易把握，缺少空间位置信息，无法确定复杂工业管道的连接关系。

（2）基于地面激光扫描仪的建模技术路线

对于首钢和首钢二通厂厂区需重点保护的厂房，制作时需要较高的空间精度及纹理精细度，本课题使用地面三维激光扫描仪进行扫描后制作。首先使用地面三维激光扫描仪对各站进行扫描，获取各站的三维激光点数据，使用三维处理软件对点云数据进行拼接，形成完整的厂房点云数据。对拼接后的点云数据进行数据预处理，获取厂房的网格数据。采用外业的方法采集地物的影像数据，处理后对厂房进行纹理贴图，从而获取厂房的精细三维模型数据。最后，将三维模型进行格式转化，导入到三维虚拟场景平台中进行整合。三维建模流程图如图3所示。

使用地面激光扫描仪建设的三维模型效果如图4所示。其中图（a）为首钢厂三号高炉激光扫描点云数据，图（b）为三号高炉三维模型，图（c）为首钢二通厂厂房三维模型。

此种方法的优点在于能够完全获取地物的内部结构和一些复杂的结构，空间精度和纹理精细度较高，能够对细节进行良好的表现。缺点在于地面激光扫描获取的点云数据量大，后期处理较为复杂，需要的工作量较大。

（3）基于车载激光扫描的建模技术路线

首钢厂区管道错综复杂，在建设三维虚拟场景时，管道的建设是难点。利用数字线划图进行建模的方法很难获取管道的空间位置及相对关系，进行管道的制作时可能造成管道无法连接。利用照片进行推断需要大量的人工参与，且容易造成数据误差。为此，本课题选取首钢厂区部分复杂管道，利用车载激光扫描获取数据的办法进行管道三维模型的制作，并形成了完整的工艺流程[3]。

管道建模中，首先使用车载激光扫描平台进行点云数据采集，车载平台搭载的数码相机可同时获取管道的纹理照片。将采集到的点云数据转为交换格式，导入到Cyclone软件中进行管道模拟。从采集的纹理照片中获取管道纹理细节，在3Ds MAX软件中进行后期处理及贴图。最后进行模型格式转换和场景合成，即可得到完整的管道模型。整个管道建模的流程图如图5所示。

使用车载激光扫描建设的管道三维模型效果如图6和图7所示。其中图6为管道照片和三维场景中管道模型的对比，左图为实际拍摄的管道照片，右图为三维虚拟场景中管道三维模型。图7为管道点云数据和模型对比，左图为使用车载激光扫描的管道点云数据，右图为处理后的管道三维模型。

此种方法的优点在于采集效率较高，能够准确获取管道的连接关系。由于车载平台搭载数码相机，可以在点云获取的过程中同时得到纹理照片，大大缩短了人工拍摄纹理照片的工作量。缺点在于车辆只能扫描到道路两侧的地物，内部的地物信息无法获取。

本课题综合采用上述三类方法建设了首钢厂区和首钢二通厂厂区的三维虚拟场景，在后期处理中，利用三维虚拟现实平台对三维模型进行整合，使所有三维模型能够完整地融合在一起。整合完成的首钢厂三维虚拟场景如图8所示，首钢二通厂三维虚拟场景如图9所示。

四、总结与展望

三维虚拟场景建设为首钢厂区和首钢二通厂的工业遗产保护提供了新的思路，在此课题中，综合运用了基于数字线划图、地面三维激光扫描仪和车载激光扫描的方法进行三维模型数据的建设。基于数字线划图的方法能够充分利用已有资源和成熟技术，保证整个三维虚拟场景的数据量在可控的范围内；基于地面三维激光扫描仪的方法能够对空间精度进行补充，完成基于数字线划图无法建设的复杂结构；基于车载激光扫描的方法能够对复杂的管道数据进行三维建模，由于车辆的可移动性，效率较地面激光扫描仪显著提高。

该成果的创新点在于：

（1）利用虚拟现实的方法对两处工业遗产的原貌进行了保存，如此大范围的高质量三维模型在厂区进行改造升级的各个阶段过程中都能够发挥服务功能，大到对各个功能区的布局和方案的对比，小到一草一木的安插摆放。并且三维数字化的首钢厂也将作为历史资料留存，为工业遗址的保护再利用发挥作用。

（2）在虚拟场景的建设中采用了地面激光扫描仪对复杂厂房和工业结构进行三维模型建设，真实再现了首钢二通厂的厂房和首钢的复杂工业设备，为其它工业遗产保护类项目提供参考。

（3）三维虚拟场景建设中复杂的管道使用车载激光扫描仪进行数据获取，得到了管道的空间信息，生成了高精度的工业管道三维模型，为工业管道的三维建模提供了新的技术参考。

相信随着智慧城市的建设和新技术的不断发展，虚拟现实技术将会得到越来越广泛的应用。

参考文献

[1] 刘佳.工业遗产保护与更新初探[J].山西建筑，2007，33（28）：34-35.

[2]陈晓勇，丁松庆. 3维虚拟现实系统在城市规划中的应用[J].测绘与空间地理信息，2006，29（5）： 94-96.

[3] 张辉，刘增良.车载三维激光扫描技术在首钢工业遗产保护中的应用探讨[C].

全国工程测量2012技术研讨交流会论文集，2012： 92-94.

作者简介：张辉，女，28岁，北京市测绘设计研究院工程师。