淺析數(shù)字測繪技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用
——以衛(wèi)輝望京樓為例

□付力

衛(wèi)輝望京樓位于河南省衛(wèi)輝市汲水鎮(zhèn)望京樓后街，于明萬歷十九年(1591年)動工，明萬歷二十一年(1593年)竣工，迄今已有四百余年的歷史。望京樓平面呈長方形，坐北朝南，磚石結(jié)構(gòu)。高33米，寬30米，進深19米，共分兩層。外壁用青石砌筑，內(nèi)壁用白石鑲筑，外壁中間有白石腰檐。第一層?xùn)|、西、北三面共有四窗，為券頂，青石窗欞殘跡尚存。在東南、西南角各辟一石券門，青石門框，由兩門青石踏步可登至第一層樓。一層建十字拱券，四面辟門，高大寬敞。每券門上有兩道木欄桿槽，下有一道石欄桿槽。北券有四門，均為青石門框。由東、西兩門沿青石踏步可登至第二層樓。第二層原有五間歇山式大殿，名曰崇本書樓，是供父子藏書和習(xí)書畫的宮室。崇本書樓已毀，大殿柱礎(chǔ)尚存。大殿前、左、右有回廊，殿后有兩個小門。

望京樓形體高大，結(jié)構(gòu)堅固，內(nèi)磚外石，砌筑工整，設(shè)計科學(xué)。望京樓是我國目前保存規(guī)模最大，設(shè)計科學(xué)的無梁殿建筑之一。2006年，國務(wù)院將其公布為第六批全國重點文物保護單位。

一、將數(shù)字測繪方法引入建筑遺產(chǎn)保護工作的必要性

古建筑測繪在建筑遺產(chǎn)保護工作中具有重要意義，古建筑測繪是保護、發(fā)掘、整理和利用古代建筑遺產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，同時又為建筑歷史與理論研究、建筑史教學(xué)提供翔實的基礎(chǔ)資料。文化遺產(chǎn)的數(shù)字測量方法很早就已在可移動文物的保護領(lǐng)域得到應(yīng)用，不可移動文物尤其是建筑遺產(chǎn)的保護因其體量大、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，數(shù)字測繪方法引入較晚。

（一）建筑遺產(chǎn)測繪精度的需要

傳統(tǒng)的利用卷尺、鉛錘、測距儀等工具進行手工測繪的方法，雖然也能對一處建筑遺產(chǎn)進行較為詳細(xì)的測繪，但是這種方法存在著很多不確定因素。首先，測繪人員的測繪水平和工作經(jīng)驗各不相同，在數(shù)據(jù)測量和測稿繪制等過程中就會對測繪的精度產(chǎn)生影響。其次，在一些受環(huán)境影響測繪人員無法到達的位置，或是空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜測繪人員無法接觸到的建筑構(gòu)件，傳統(tǒng)的測繪方法是依據(jù)現(xiàn)場照片對結(jié)構(gòu)和尺寸進行推斷或者估算，在這種情況下，測繪的精度就更加難以保證。

（二）建筑遺產(chǎn)信息資料數(shù)字化保存的需要

數(shù)字測繪方法可以將建筑遺產(chǎn)的各種信息資料最大限度地采集并保留下來，同時數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)信息的傳播和共享提供了便利，也為數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究提供了更多可能，數(shù)字信息時代的文物保護工作需要建立現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用體系。以傳統(tǒng)的文物保護單位四有檔案為例，以往文檔、圖片的存儲方式，已經(jīng)不能滿足新形勢下文化遺產(chǎn)保護和研究的需要。較低的信息數(shù)字化水平和非數(shù)字化的信息在數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享方面存在很大限制，部分?jǐn)?shù)字化信息格式混亂，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

（三）為文物保護工程提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持

傳統(tǒng)的人工加卷尺的測繪方法在多種類型的建筑遺產(chǎn)和復(fù)雜多變的遺產(chǎn)環(huán)境面前顯得力不從心，測繪效率不高的同時，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也存在不確定性。隨著我國文物保護事業(yè)的發(fā)展和遺產(chǎn)保護水平的不斷提高，今后的文物保護工程更需要嚴(yán)謹(jǐn)和詳細(xì)的信息數(shù)據(jù)作為技術(shù)支持。

二、衛(wèi)輝望京樓的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作

（一）建筑外立面的測繪工作

1.數(shù)字測繪手段選擇

衛(wèi)輝望京樓是全國保存最完整、規(guī)模最大、設(shè)計科學(xué)的一座高臺無梁石構(gòu)殿建筑。望京樓形體高大，建筑外墻用青石砌筑，結(jié)構(gòu)堅固。由于多年來風(fēng)雨的侵蝕，植物的根劈作用以及局部石塊的損壞、掉落引起的連鎖反應(yīng)，樓體外壁石砌石料大量剝落，并且樓體還出現(xiàn)多處脹鼓和開裂，植物生長較為茂盛。根據(jù)上述情況，傳統(tǒng)的建筑立面線畫圖無法真實地還原建筑本體的病害和殘損情況。望京樓周邊多為一層平房，無高大建筑，可對樓體采集立面正射影像圖。所以我們選用無人機攜帶高清相機對樓體外立面運用傾斜攝影測量技術(shù)采集圖像，后期通過三維建模來獲取樓體的各個立面的正攝影像圖。

傾斜攝影技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項新興技術(shù)，該技術(shù)通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像數(shù)據(jù)，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，而且還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維城市模型。

2.外業(yè)控制點布設(shè)

控制點布設(shè)是傾斜攝影測量的關(guān)鍵工作，直接關(guān)系到最終測繪成果的精度是否滿足測繪要求。利用全站儀進行控制點的布設(shè)，便于后期數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一管理，本次控制點坐標(biāo)系統(tǒng)為局部工程坐標(biāo)，北方向為正北方向。首先利用全站儀進行控制點布設(shè)（圖1），布設(shè)6個控制點（表1）：

同時再布設(shè)10個像控點（圖2），標(biāo)靶選用10厘米×10厘米的黑白標(biāo)靶，使用全站儀對靶心進行坐標(biāo)測量，用于傾斜攝影測量影像處理三維精度的控制。

表1 控制點坐標(biāo)

圖1 使用全站儀進行控制點布設(shè)

圖2 像控點布設(shè)

圖4 無人機傾斜攝影POS數(shù)據(jù)

3.無人機傾斜攝影影像采集

由于本次數(shù)據(jù)采集要求精度誤差在5厘米以內(nèi)，必須使用高成像質(zhì)量相機貼近樓體飛行進行傾斜攝影作業(yè)。小型便攜式無人機雖然小巧方便可以更加貼近望京樓樓體進行采集，但是受體積和重量的限制無法攜帶成像素質(zhì)更高的相機設(shè)備。所以此次飛行選用DJI S1000八旋翼無人機作為飛行平臺，最大起飛重量11公斤，攜帶兩部索尼A6000型數(shù)碼相機，單部相機為2430萬有效像素。（圖3）由于飛行器較重且體積大，又要貼近樓體飛行，在保證飛行安全的前提下，為提高作業(yè)效率，兩部相機設(shè)置為15°夾角同時進行影像采集。采用垂直航線飛行，使每條航線保證75%的航向重疊率，使每兩條航線之間保證60%的旁向重疊率。（圖4）采集完畢后檢查照片曝光是否正確，像控點在照片中是否清晰，如有問題，立即進行補充采集，對于無法從空中獲取影像的區(qū)域使用地面人工的方式進行數(shù)據(jù)獲取。

（二）衛(wèi)輝望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)測繪

1.數(shù)字測繪方法選擇

望京樓內(nèi)壁用白石鑲筑，白石密度低，自身荷載小，且美觀大方，是理想的裝飾材料，但其耐候性較差，受環(huán)境不利因素影響較大。由于年久失修，二樓頂面長期滲水，持續(xù)的水巖作用導(dǎo)致白石軟化、巖溶掏蝕，失水固結(jié)又導(dǎo)致干裂破壞，特別是角柱的風(fēng)化致使石券的應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)券石松動、龍口下沉、過河撞券移位的現(xiàn)象。望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是樓體通道等地方光線昏暗不適用攝影測量方法。

2.三維激光掃描儀掃測

我們選用三維激光掃描儀進行點云信息采集，完整記錄望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何信息。（圖5）掃描前應(yīng)規(guī)劃設(shè)計掃描站點，站點設(shè)置要求分布均勻，盡量減少掃描死角。掃描時根據(jù)掃描儀到目標(biāo)的距離設(shè)置水平和垂直分辨率，使得掃描結(jié)果均勻。對于重要的目標(biāo)，可設(shè)置更高的分辨率進行細(xì)掃。最后進行數(shù)據(jù)檢查，檢查掃描數(shù)據(jù)是否完整，是否有遺漏或錯誤，及時補充采集數(shù)據(jù)。同時對外部環(huán)境進行補測，對外部無人機拍攝死角進行補充掃描（圖6），對缺失的點云進行補充。

圖5 三維激光掃描儀掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 使用激光掃描儀對無人機拍攝死角進行補充掃描

（三）對崇本書樓基礎(chǔ)及誠意坊的測繪

望京樓頂崇本書樓已毀，大殿基礎(chǔ)及柱礎(chǔ)尚存。存在的主要問題為青磚大面積脫落、基礎(chǔ)掏蝕、白灰風(fēng)化、基礎(chǔ)下沉導(dǎo)致的開裂、植被破壞、頂面積水等。崇本書樓基礎(chǔ)前的誠意坊，平面呈“一”字形，為青石結(jié)構(gòu)建筑，以四柱三樓四間頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式組成，具有建筑、繪畫、書法、雕刻等價值，存在雕像殘缺、裂隙、不當(dāng)修復(fù)等問題，其中明樓部分存在較為嚴(yán)重地歪閃。

對崇本書樓基礎(chǔ)的測繪在無人機對望京樓外立面進行傾斜攝影采集中已經(jīng)基本完成，但臺基下部存在大量基礎(chǔ)掏蝕現(xiàn)象，使用三維激光掃描儀對病害部位進行補充掃測。

誠意坊位于望京樓頂部南側(cè)邊緣，其建筑構(gòu)件上保存有較多的石刻雕像，具有較高的藝術(shù)價值，所以我們使用三維激光掃描儀對誠意坊北面進行加密精細(xì)掃描，最大限度地記錄建筑構(gòu)件上的雕刻信息。但誠意坊南面緊鄰?fù)潜倔w邊緣，沒有架設(shè)掃描儀的空間，只能使用無人機攜帶高清相機對誠意坊南面進行局部精細(xì)拍攝。

三、采集數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理工作及成果

（一）無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作成果

本次無人機共采集22.6G原始影像數(shù)據(jù)，將無人機影像導(dǎo)入Agisoft Photoscan軟件，經(jīng)過“對齊照片”“生成密集點云”“生成網(wǎng)格”“生成紋理”“錄入控制點坐標(biāo)”等步驟完成模型的重建。可導(dǎo)出密集點云，三角網(wǎng)模型和各個方向的正射影像圖。

傾斜攝影三維建模工作流程：

利用布設(shè)的控制點進行平差處理，得到的精度誤差檢測，如（表2）：

表2 測量精度檢查表

圖7 衛(wèi)輝望京樓無人機傾斜攝影測量構(gòu)建三維模型

圖8 衛(wèi)輝望京樓立面正射影像圖

圖9 望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)

經(jīng)檢測無人機傾斜攝影測量各項誤差均滿足小于5厘米的誤差精度要求。

在Agisoft Photoscan軟件中生成三維模型后（圖7），通過定義各角度視圖，導(dǎo)出超高分辨率的樓體外立面正射影像圖 （圖8）。這種方法獲取的立面正射影像圖，比起普通相機拍攝的立面圖，消除透視關(guān)系完全正視，所有景物完全清晰不受焦點景深的影響且像素分辨率更高，建筑本體所有病害、殘損全部清晰展現(xiàn)出來。獲取的模型可進行精細(xì)測量，更加便于現(xiàn)狀殘損、病害的量化統(tǒng)計。

（二）三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理及成果

三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)處理流程，首先將點云進行過濾除噪，后期處理軟件可自動識別并刪除一些離散點、噪聲點。對于其他的雜物及遮擋物，如人、汽車、腳手架等需要人工手動刪除。將每一站掃描儀采集的數(shù)據(jù)進行點云配準(zhǔn)，獲得望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點云數(shù)據(jù)。（圖9）自動或手動搜索參考物，如參考標(biāo)靶、靶球、像控點等，將掃描點云拼接成為一個整體 （圖10），并根據(jù)誤差數(shù)據(jù)調(diào)整拼接。點云配色，激光掃描原理得到的只是點的三維坐標(biāo)信息和激光反射強度信息，若在采集點云的同時采集了影像信息（內(nèi)置相機或外置相機），可對采集了色彩信息（RGB）的站點應(yīng)用顏色。最后將關(guān)鍵點云區(qū)塊或整體點云導(dǎo)出成通用格式模型，我們獲取了望京樓內(nèi)部完整的構(gòu)造模型。（圖11）獲取的數(shù)據(jù)成果還可以進一步研究，如進行輪廓線提?。▓D12）等工作。

圖10 點云配準(zhǔn)后整體點云數(shù)據(jù)

圖11 導(dǎo)出望京樓內(nèi)部構(gòu)造模型

圖12 三維模型平面及立面輪廓線提取

四、結(jié)語

此次望京樓數(shù)字測繪工作由3人耗時1天完成，無人機共采集22.6G原始影像數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀共架站43站，采集原始點云數(shù)據(jù)6.22G，測繪獲得的成果及精度完全滿足工作要求。事實證明，此次工作選擇的無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描兩種數(shù)字測繪技術(shù)，精確、高效地完成了衛(wèi)輝望京樓的測繪工作。其中無人機傾斜攝影測量與自動三維建模技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的手工建模，展現(xiàn)出數(shù)據(jù)精確全面、工作效率高、模型紋理真實等特點。將大量傳統(tǒng)外業(yè)測繪工作以數(shù)字化模型的方式轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)進行。三維激光掃描技術(shù)則將望京樓內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以點云方式完整記錄下來，便于后期的深入研究。本項目取得的數(shù)字化成果，為衛(wèi)輝望京樓數(shù)字檔案建設(shè)、本體維修評估、建筑遺產(chǎn)監(jiān)測等方面奠定了堅實基礎(chǔ)。