實(shí)景三維在古建保護(hù)中的應(yīng)用

儲俊峰

摘要：古建是重要的歷史文化組成成分和地方名片，一方面，隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展和國家對中國傳統(tǒng)文化的大力保護(hù)與支持，特色古建越來越成為拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、提升地方影響力的有效載體;另一方面，隨著中國城市化以及城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)者將面臨城市現(xiàn)代化建設(shè)與大量城市歷史遺存的文物性建筑保護(hù)之間的矛盾。通過高精度的三維數(shù)字化技術(shù)，可以打造技術(shù)先進(jìn)、信息化程度高、智能化、沉浸式的古建展示和體驗(yàn)內(nèi)容，便于古城特色的推廣和互聯(lián)網(wǎng)傳播。同時(shí)，生動立體的三維古建成果，可以提供準(zhǔn)確時(shí)空位置關(guān)系，結(jié)合交通、市政、民生等專題數(shù)據(jù)，可以服務(wù)于公眾、政府、企業(yè)，為古城的保護(hù)、管理、改造和防災(zāi)等一系列工作提供科學(xué)依據(jù)。本文以屯溪老街為例說明實(shí)景三維在古建保護(hù)中的應(yīng)用。

Abstract： Ancient buildings are important historical and cultural components and local business cards. On the one hand， with the vigorous development of tourism and the strong protection and support of China's traditional culture， characteristic ancient buildings are increasingly becoming an effective carrier to promote local economic development and enhance local influence; on the other hand， with the rapid development of China's urbanization and urban construction， urban builders will face the contradiction between the construction of urban modernization and the protection of a large number of historic buildings. Through high-precision three-dimensional digital technology， we can create advanced technology， high degree of information， intelligent， immersive exhibition and experience content of ancient buildings， which is convenient for the promotion of ancient city characteristics and Internet communication. At the same time， the vivid three-dimensional achievements of ancient buildings can provide accurate space-time location relationship， combine traffic， municipal， people's livelihood and other thematic data， serve the public， government and enterprises， and provide scientific basis for the protection， management， transformation and disaster prevention of the ancient city. This paper takes the old street of Tunxi as an example to illustrate the application of three-dimensional real scene in the protection of ancient buildings.

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;實(shí)景三維;古建;屯溪老街

Key words： oblique photography;real scene 3D;ancient building;Tunxi old street

中圖分類號：P283.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0215-02

0 ?引言

屯溪老街是古徽州文化的載體與徽商的歷史見證，是工藝精湛的徽派建筑的完美體現(xiàn)。采用傾斜相機(jī)和小型多旋翼無人機(jī)，對屯溪老街及周邊地區(qū)進(jìn)行了高精度三維景觀模型重建數(shù)據(jù)采集，并且對實(shí)景三維模型在古建中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 ?三維模型建構(gòu)

屯溪老街實(shí)景三維建模采用低空無人機(jī)航空攝影測量，通過全自動智能化航線規(guī)劃平臺開展無人機(jī)航測，獲取屯溪老街所在地區(qū)的帶絕對位置信息的無人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)主要指生成帶紋理的三維地形模型，用重建大師自動建模軟件進(jìn)行三維重建，主要作業(yè)流程包括像片控制點(diǎn)選擇與刺點(diǎn)，空中三角測量和模型重建，完成整個(gè)老街區(qū)域的三維重建。三維模型生產(chǎn)流程如圖1所示。

1.1 像片控制點(diǎn)選擇與刺點(diǎn) ?①像片控制點(diǎn)距數(shù)字影像邊緣的距離應(yīng)不小于1mm;②像片控制點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)選刺在有明顯拐角地面物體的角點(diǎn)、圓形地面物體的中間位置等;③像片控制點(diǎn)辨認(rèn)精度，不應(yīng)大于圖上0.2mm，應(yīng)滿足1：1000測圖精度要求;④根據(jù)屯溪老街的地理參考資料，在選擇刺點(diǎn)前確定使用的空間參考即投影坐標(biāo)系。

1.2 空中三角測量 ?通過建立連接點(diǎn)和像控點(diǎn)坐標(biāo)文件，結(jié)合POS信息，實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計(jì)算，最終得到符合精度要求的空三成果。參考傳統(tǒng)空三國家規(guī)范要求經(jīng)過大量測試得出結(jié)論：重投影中誤差應(yīng)小于1個(gè)像元，個(gè)別困難地區(qū)可適當(dāng)放寬要求。

①相對定向精度：由于采用了新型無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，其相對定向指標(biāo)采用反投影誤差來表示。②控制點(diǎn)和加密點(diǎn)測量按下列要求執(zhí)行：對外業(yè)提交的像控點(diǎn)和外業(yè)檢查點(diǎn)根據(jù)點(diǎn)位略圖與說明，進(jìn)行綜合判點(diǎn)后，準(zhǔn)確確定其點(diǎn)位;本項(xiàng)目采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行空中三角測量平差，區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算結(jié)束后，基本定向點(diǎn)殘差不大于規(guī)范規(guī)定的加密點(diǎn)中誤差的0.7倍限值（即±0.245m），檢查點(diǎn)誤差不大于加密點(diǎn)中誤差的1.2倍限值（即±0.42m），區(qū)域網(wǎng)間公共點(diǎn)較差不大于加密點(diǎn)中誤差的2倍限值（即±0.7m）;高程誤差不大于加密點(diǎn)高程中誤差的0.7倍限值（即±0.28m）。③空中三角測量平差完成后，提交區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)位略圖和自動化空中三角測量平差報(bào)告，檢查和使用發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)的外業(yè)控制點(diǎn)，做好作廢記錄說明。

1.3 模型重建

1.3.1 數(shù)據(jù)分塊 ?根據(jù)作業(yè)區(qū)地理特征情況，便于生產(chǎn)作業(yè)，將測區(qū)分成多個(gè)作業(yè)分區(qū)，然后根據(jù)每個(gè)作業(yè)分區(qū)的面積具體劃分作業(yè)子區(qū)，再按照每個(gè)作業(yè)子區(qū)實(shí)際范圍劃定建模區(qū)域，根據(jù)作業(yè)子區(qū)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，自動進(jìn)行分塊（tile）。

1.3.2 點(diǎn)云匹配 ?基于空三平差輸出的外方位元素成果，傾斜攝影處理軟件可以自動將影像進(jìn)行匹配，組成三維像對，對區(qū)塊內(nèi)包含的所有三維像對分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算。

1.3.3 三角網(wǎng)生成 ?經(jīng)過空三加密可獲取大量高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再由密集點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則空間三角網(wǎng)，并生成無紋理的三維白膜。

1.3.4 紋理貼圖 ?由傾斜攝影影像處理軟件的特殊紋理映射算法對白膜自動賦予紋理，最后輸出表面紋理清晰逼真的真實(shí)景三維模型。最終模型成果如圖2所示。

2 ?應(yīng)用方向

2.1 三維規(guī)劃 ?通過“空中全景+多視角傾斜攝影建模+地面街景”三合一手段，對屯溪老街進(jìn)行高精度數(shù)字化，可保留古城1：1的真實(shí)樣貌，高保真的還原整個(gè)現(xiàn)實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)整個(gè)規(guī)劃建設(shè)過程真實(shí)可視化，為科學(xué)規(guī)劃建設(shè)提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

2.2 保護(hù)監(jiān)測 ?通過對多次采集的三維場景進(jìn)行系統(tǒng)自動比對，找到可能的變化點(diǎn)，并提供詳細(xì)坐標(biāo)地點(diǎn)，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)違章搭建、損毀破壞情況，對屯溪老街進(jìn)行精準(zhǔn)智能的保護(hù)監(jiān)測。如圖3所示。

2.3 安全監(jiān)控 ?基于二三維聯(lián)動的GIS地圖管理支持監(jiān)控中心設(shè)備;管理人員可基于三維場景實(shí)時(shí)調(diào)用指定地點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備，及時(shí)了解任意地區(qū)的安全情況;項(xiàng)目前期規(guī)劃布設(shè)監(jiān)控檢測設(shè)備時(shí)，利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)合理布設(shè)攝像頭，進(jìn)行視域分析確保無監(jiān)控死角。

2.4 科學(xué)管理 ?以三維實(shí)景數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的空間信息技術(shù)可作為智慧景區(qū)智慧城鎮(zhèn)管理系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)平臺，結(jié)合地理空間位置信息，將各種傳感器信息、大數(shù)據(jù)接入、管理、和分析，提高管理系統(tǒng)的智能化水平，使各類數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，同時(shí)也極大的提升管理效率，提高居民和游客的生活體驗(yàn)。如圖4所示。

2.5 互動查詢 ?在古城景區(qū)內(nèi)的游客中心或各種移動設(shè)備上設(shè)置電子互動屏，可以通過互動屏自主查詢信息，了解動態(tài)，觸摸瀏覽三維數(shù)據(jù);訪客可在互動屏的實(shí)景三維數(shù)據(jù)平臺上，自主規(guī)劃路線，根據(jù)個(gè)人興趣和城區(qū)人流量情況合理安排游玩時(shí)間，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智慧旅游。

3 ?結(jié)語

我們?nèi)祟惖暮芏嗷顒佣寂c地理空間位置有關(guān)，隨著信息時(shí)代的到來，人們對地理信息數(shù)據(jù)的需求更加強(qiáng)烈，傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，也為古建的保護(hù)及應(yīng)用提供了嶄新的技術(shù)手段。實(shí)景三維模型更符合人類的視覺感官，可以體現(xiàn)最真實(shí)的環(huán)境，場景效果也會得到最完美的展現(xiàn)。在實(shí)景三維系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)整、規(guī)劃設(shè)計(jì)及構(gòu)思，輔助公眾進(jìn)一步理解規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。隨著科技發(fā)展的日新月異和人們物質(zhì)生活的需要，社會各個(gè)領(lǐng)域?qū)?shí)景三維模型的需求也是越來越強(qiáng)烈，基于傾斜三維模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用也將會越來越廣闊。

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