基于多種技術(shù)手段的歷史建筑精細測繪

葉珉?yún)?/p>

(佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

歷史建筑是人類歷史發(fā)展過程中產(chǎn)生的瑰寶，有著重要的歷史價值、科學(xué)價值、藝術(shù)價值、社會價值和經(jīng)濟價值，故對于歷史建筑的保護刻不容緩。通過對歷史建筑進行精細測繪，獲取其三維模型、平立剖面圖等成果，作為歷史建筑規(guī)劃保護和修復(fù)等工作的第一手?jǐn)?shù)字檔案資料，具有深遠的意義。

測繪技術(shù)為歷史建筑精細測繪提供了各種各樣的手段，推動了歷史建筑三維空間數(shù)據(jù)獲取向著集成化、實時化、動態(tài)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展[1]。目前，歷史建筑測繪的主要手段有全站儀法、攝影測量法及三維激光掃描法等，其中三維激光掃描技術(shù)以其數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強、精度高及非接觸式測量等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于北京故宮、敦煌莫高窟等歷史建筑的精細測繪項目中[2～10]。但由于三維激光掃描技術(shù)自身的特點，對于遮擋嚴(yán)重、封閉或建筑物之間較為密集的隱蔽區(qū)域，將無法獲取完整的點云數(shù)據(jù)；且對于如屋頂、山墻等較高位置紋理圖像的采集，僅采用人持?jǐn)?shù)碼相機拍攝的方式一般無法獲取較為正視的圖像，這對后續(xù)的圖像處理及紋理貼圖等工作將帶來較大困難。因此，單一的技術(shù)手段將無法滿足歷史建筑全面、高精度的測繪需求，本文結(jié)合佛山市禪城區(qū)歷史建筑精細測繪項目實踐，提出集成三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數(shù)碼相機等技術(shù)手段的歷史建筑精細測繪方法，并通過實例驗證其可行性。

2 技術(shù)方法

2.1 項目背景

佛山市禪城區(qū)歷史悠久，是中國古代“天下四大鎮(zhèn)”和“天下四大聚”之一，擁有眾多的歷史建筑。此次項目將對禪城區(qū)內(nèi)優(yōu)先推薦的61處歷史建筑進行精細測繪，獲取其三維模型、平立剖面圖等成果，并將上述成果與規(guī)劃管理平臺對接，實現(xiàn)歷史建筑規(guī)劃保護和修復(fù)的信息化管理。優(yōu)先推薦的61處歷史建筑跨越不同時期、風(fēng)格各異、大小不一，主要包括宅第民居、工業(yè)建筑、壇廟祠堂、名人故居、亭臺樓闕等等，且測量條件各不相同，項目成果需滿足《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》、《佛山市三維模型技術(shù)規(guī)范(試行)》中建筑精細模型(Ⅰ級模型)及《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)技術(shù)要求。針對上述情況及成果需求，項目充分利用當(dāng)前各種先進的測繪手段，集成三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數(shù)碼相機等進行歷史建筑的精細測繪，其主要技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

2.2 控制網(wǎng)布設(shè)

控制網(wǎng)布設(shè)的目的是將項目所有測繪成果納入到城市統(tǒng)一的坐標(biāo)系、高程系中去。項目首先圍繞每處歷史建筑進行控制點布設(shè)，平面坐標(biāo)采用網(wǎng)絡(luò)RTK(CORS)或全站儀導(dǎo)線測量的方式，高程采用水準(zhǔn)測量的方式，每處歷史建筑至少布設(shè)3個以上的控制點，精度根據(jù)《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，平面精度滿足城市二級點的要求，高程精度滿足四等水準(zhǔn)點的要求。

2.3 三維激光掃描

歷史建筑精細測繪主要采用三維激光掃描技術(shù)手段，所采用的三維激光掃描儀如圖2所示，為相位式的FARO Focus3D330，掃描距離為 0.6 m～330 m，測量速度最高為 976 000點/秒，標(biāo)稱精度為 ±2 mm，滿足《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》中一等儀器指標(biāo)的要求。各站點云數(shù)據(jù)拼接所采用的標(biāo)靶為圖3所示的儀器配套標(biāo)靶球，相鄰站之間一般高低錯落地均勻布設(shè)不少于3個標(biāo)靶球。

圖2 三維激光掃描儀

圖3 標(biāo)靶球

對于屋頂?shù)容^高位置的掃描，一般借助周邊較高建筑設(shè)站，必要時搭設(shè)臨時的升降平臺架設(shè)掃描站。對于無法獲取完整點云數(shù)據(jù)的隱蔽區(qū)域，采用全站儀、激光測距儀等常規(guī)測量手段獲取數(shù)據(jù)。

2.4 紋理圖像采集

采用不低于1 000萬像素的數(shù)碼相機獲取模型的紋理圖像，選擇光線較好的時間段、從整體到局部進行拍攝。對于如屋頂、山墻等較高位置紋理圖像的采集，采用人持?jǐn)?shù)碼相機拍攝的方式有時無法獲取圖像，或無法獲取較為正視的圖像，項目采用如圖4所示的DJI旋翼無人機進行拍攝，能夠獲取較高位置的正視圖像(如圖5所示)，極大減少了后續(xù)圖像處理及紋理貼圖等工作的工作量，提高了工作效率。

圖4 DJI無人機

圖5 無人機圖像

2.5 點云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描獲取歷史建筑的點云數(shù)據(jù)后，內(nèi)業(yè)的點云數(shù)據(jù)處理主要包括點云拼接、點云去噪及點云封裝等。點云拼接通過在儀器配套軟件FARO SCENE中自動搜索各站同名標(biāo)靶球進行自動拼接(如圖6中綠色標(biāo)靶球所示)，拼接后的平均精度均為mm級別。

圖6 點云拼接

點云去噪同樣通過在配套軟件FARO SCENE中自動或輔以人工判別的方式去除離散點、行人、樹木等噪聲數(shù)據(jù)。

將去噪后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入GeomagicStudio軟件中進行點云三角化封裝，封裝后的數(shù)據(jù)如圖7所示。后續(xù)的三維建模將直接基于封裝后的點云數(shù)據(jù)進行。

圖7 點云封裝

2.6 圖像數(shù)據(jù)處理

受拍攝角度及拍攝環(huán)境等的影響，外業(yè)所采集的部分紋理圖像存在非正視、變形、曝光過度、曝光不足、陰影等情況，項目采用Photoshop軟件，通過裁剪、圖形變換等工具進行變形糾正，將圖像調(diào)整為正視圖像；通過仿制圖章、污點修復(fù)畫筆等工具消除圖像中的一些噪聲點；通過亮度、對比度等工具進行色彩調(diào)整。

對于墻體、地面等較大面積的物體，受拍攝條件的限制，一般無法獲取整體的圖像，紋理貼圖時通常采用“以點代面”[3]平鋪的方法，即僅采集小面積、具有代表性的圖像(種子圖像)，通過不斷重復(fù)平鋪的方式進行紋理貼圖。這時同樣需要通過在Photoshop軟件中對種子圖像進行裁剪、色彩調(diào)整等，使得平鋪后的紋理實現(xiàn)無縫過渡，相鄰處不會出現(xiàn)明顯的“突?！爆F(xiàn)象。

2.7 三維建模、紋理貼圖

項目主要采用3ds Max軟件進行三維建模及紋理貼圖。將上述封裝好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max軟件中，對于建筑物的墻體、門窗、梁柱等較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)可直接在軟件中采用相應(yīng)的球面、弧面、柱面、平面等基本幾何體根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行制作；對于斗拱等較為復(fù)雜的組合式結(jié)構(gòu)，一般將其組成部件分開制作，最后合并成為一個物體；對于更為復(fù)雜的浮雕、塑像等不規(guī)則構(gòu)件，一般單獨提取其點云數(shù)據(jù)，先在GeomagicStudio軟件中進行三角化封裝，經(jīng)孔填充、邊修補、細化、光滑處理等優(yōu)化步驟建成精細模型后，再導(dǎo)入3ds Max軟件中與其他構(gòu)件一起組成一個整體，如圖8所示。對于缺少點云數(shù)據(jù)的隱蔽區(qū)域，根據(jù)全站儀或激光測距儀所觀測的點位、尺寸等數(shù)據(jù)進行三維建模。

基本模型建好后，對各個構(gòu)件采用對應(yīng)的圖像進行紋理貼圖，圖9為某處歷史建筑未貼圖模型，圖10為其貼圖后的最終模型。

圖8 復(fù)雜構(gòu)件單獨建模

圖9 未貼圖模型

圖10 最終模型

2.8 平、立、剖面圖制作

三維模型完成后，在3ds Max軟件中通過切片工具分別從俯視、正視等方向?qū)θS模型進行切片，獲取制作平、立、剖面圖所需的切片數(shù)據(jù)，并將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)出為DWG格式，最終通過在AutoCAD軟件中對DWG格式的切片數(shù)據(jù)進行一定的編輯和尺寸標(biāo)注，形成歷史建筑的平、立、剖面圖成果(如圖11所示)。

圖11平、立、剖面圖

3 結(jié)果與精度分析

項目共完成了禪城區(qū)優(yōu)先推薦的61處歷史建筑精細三維模型及平、立、剖面圖的制作，圖12展示了項目不同類型歷史建筑中典型的模型成果，包括工業(yè)建筑、壇廟祠堂、名人故居、亭臺樓闕等等。

圖12 不同類型歷史建筑模型

對于三維模型成果，采用現(xiàn)場比對的形式進行檢核，主要包括模型的完整性檢查(模型各個組成部分的錯、漏情況)、模型紋理貼圖的準(zhǔn)確性、完整性、協(xié)調(diào)性檢查(模型紋理的準(zhǔn)確性、清晰度以及紋理與模型的一致性等)、模型及紋理數(shù)據(jù)命名的正確性、規(guī)范性檢查等[11]。由于采用了三維激光掃描、無人機等多種測繪新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)所見即所得，而且采用全站儀等常規(guī)方法進行查漏補缺，因此項目三維模型成果在完整性、一致性等方面均能滿足《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》、《佛山市三維模型技術(shù)規(guī)范(試行)》等相關(guān)規(guī)范的要求。而模型制作的準(zhǔn)確性采用激光測距儀(測距標(biāo)稱精度為 ±1 mm)對平、立、剖面圖中所標(biāo)注的歷史建筑的尺寸進行實地檢核，檢核結(jié)果皆滿足《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》中平、立、剖面圖制作的要求(尺寸檢核相對誤差不大于1/200)，表1給出了部分歷史建筑尺寸的檢核情況。

歷史建筑尺寸檢核表 表1

4 結(jié) 語

本文結(jié)合佛山市禪城區(qū)歷史建筑精細測繪項目實踐，提出了基于三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數(shù)碼相機等技術(shù)手段的歷史建筑精細測繪方法，最終成果表明該方法具有較高的可行性，形成了完整的內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程，可為類似項目提供一套完整的技術(shù)方案。項目將所有成果與規(guī)劃管理平臺對接，實現(xiàn)了歷史建筑規(guī)劃保護和修復(fù)的信息化管理，下一步計劃與VR(虛擬現(xiàn)實)等前沿技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)歷史建筑的虛擬瀏覽等應(yīng)用。

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