融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維建模方法在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

陳款 張小可 涂峻倫 楊正陽

摘? 要：三維數(shù)字化重建已經(jīng)成為古建筑保護(hù)的重要途徑之一。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)數(shù)據(jù)采集范圍大、效率高，但由于無人機(jī)的拍攝距離較遠(yuǎn)、存在陰影、建筑自身結(jié)構(gòu)相互遮擋等很難精細(xì)、完整采集古建筑的三維數(shù)據(jù)信息。針對上述現(xiàn)狀，文章提出融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維建模方法，以桂林市月嶺古村牌坊為試驗(yàn)對象，采用該方法對牌坊完成了三維重建。試驗(yàn)結(jié)果證明該方法具備采集設(shè)備成本較低、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集全面、三維建模精度高等優(yōu)勢，在古建筑保護(hù)中有極高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維重建;古建筑;無人機(jī)

中圖分類號：TU18? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0030-03

Abstract： 3D digital reconstruction has become one of the important ways to protect ancient buildings. The UAV tilt photo grammetry technology has the advantages of a wide range of data collection and high efficiency， but it is difficult to collect the 3D data information of ancient buildings precisely and completely because of the long shooting distance， shadow and mutual occlusion of the building structure. In view of the above situation， this paper proposes a three-dimensional modeling method which integrates UAV and camera images. Taking the ancient village archway of Yueling in Guilin as the experimental object， the archway has been reconstructed by this method. The experimental results show that this method has the advantages of low cost of acquisition equipment， comprehensive field data acquisition， and high precision of 3D modeling， thus having high application value in the protection of ancient buildings.

Keywords： 3D reconstruction; ancient architecture; UAV

引言

古建筑承載著悠久文化積淀，一旦損毀，古建筑本身及其承載的歷史文化信息將不復(fù)存在?；趦A斜攝影測量的三維數(shù)字化重建具有無損、快捷靈活、精度高等優(yōu)勢[1]，已經(jīng)成為古建筑保護(hù)的重要途徑之一。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)作為一種新興的技術(shù)方法，在三維建模和工程測量中有著廣泛的運(yùn)用前景[2]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)數(shù)據(jù)采集范圍大、效率高，但由于無人機(jī)據(jù)文物拍攝距離較遠(yuǎn)、存在陰影、建筑自身結(jié)構(gòu)相互遮擋等很難精細(xì)、完整還原文物的三維數(shù)據(jù)信息。相機(jī)以其拍攝角度自由、操作靈活能對無人機(jī)影像提供有效補(bǔ)充。結(jié)合無人機(jī)與相機(jī)的優(yōu)勢，以桂林市月嶺古村牌坊為試驗(yàn)對象，提出融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維重建方法。

1 融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維重建方法流程概述

三維重建流程。融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維重建方法是基于傾斜攝影測量技術(shù)，其基本原理是使用無人機(jī)及相機(jī)完成對文物多角度、全方位的影像數(shù)據(jù)采集，得到文物多個角度的紋理影像;通過相關(guān)的算法識別提取出多幅影像間的同名像點(diǎn)，通過攝影中心、物點(diǎn)及像點(diǎn)的共線條件方程得到同名像點(diǎn)的概略位置，完成影像匹配;基于影像的內(nèi)、外方位元素，建立與測區(qū)對應(yīng)的航帶模型或區(qū)域網(wǎng)模型，采用解析法對多條航帶進(jìn)行聯(lián)合整體平差，完成空中三角測量;通過密集匹配生成密集的三維點(diǎn)云;根據(jù)點(diǎn)的空間相對關(guān)系，構(gòu)建出不規(guī)則三角網(wǎng);根據(jù)紋理影像和三角形面片之間的空間關(guān)系完成紋理映射，最后輸出帶有真實(shí)紋理的三維模型。融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維建模流程主要分為兩個部分：影像數(shù)據(jù)采集和三維模型重建。該方法的技術(shù)流程如圖1。

2 數(shù)據(jù)采集與三維重建

2.1 實(shí)地勘察

牌坊高10.2m，長13.2m，跨度11.05m，周邊空曠，坊上雕刻全由整塊石料鏤空及浮雕而成，鏤空、浮雕部分由于相互遮擋，單一使用無人機(jī)難以完整采集其影像數(shù)據(jù);而且無人機(jī)受數(shù)據(jù)采集的精度限制也無法精準(zhǔn)還原牌坊刻字的三維信息。本次試驗(yàn)采用無人機(jī)與相機(jī)對牌坊進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)所用設(shè)備主要有：大疆PHANTOM4 PRO飛行平臺、索尼α6000相機(jī)、高拍架、反光板等。

使用反光板對牌坊的鏤空部位進(jìn)行補(bǔ)光，采用無人機(jī)距牌坊約5m處環(huán)繞牌坊進(jìn)行影像采集;無人機(jī)采集完成后采用相機(jī)對牌坊的關(guān)鍵部分進(jìn)行補(bǔ)拍，通過調(diào)整相機(jī)焦距或移動相機(jī)保證采集影像的重疊度;使用高拍架采集牌坊上方部分的影像。通過拍攝距離與影像采集范圍的關(guān)系，確保無人機(jī)與相機(jī)影像之間的重疊度不低于75%。通過公式（1）計(jì)算出無人機(jī)在距牌坊5m處拍攝的橫向間距0.67m，縱向間距0.41m;相機(jī)在焦距設(shè)置為16mm時(shí)在距牌坊2m處拍攝的橫向間距0.48m，縱向間距0.32m。

式中：l為拍攝距離;f為鏡頭焦距;worh為寬或高（水平方向或垂直方向）。

2.3 三維重建

PhotoScan依據(jù)一系列圖像中對應(yīng)元素間的視差，反推所拍攝物體的幾何形狀和在空間中的位置，從而生成數(shù)字三維模型，在建筑遺產(chǎn)數(shù)字測繪有廣泛應(yīng)用[3]。對所采集影像進(jìn)行消畸變處理后，將其導(dǎo)入PhotoScan完成空三計(jì)算，如圖2。

目前應(yīng)用最廣泛的基于數(shù)碼照片生成全景三維模型的軟件是Bentley公司的ContextCapture，能夠基于數(shù)字影像照片全自動生成高分辨率真三維模型[4]。將空三計(jì)算任務(wù)導(dǎo)入ContextCapture，進(jìn)行三維重建，輸出帶有真實(shí)紋理的牌坊三維模型，如圖3。

3 三維模型精度分析

對比基于無人機(jī)傾斜攝影的三維重建模型，融合無人機(jī)與相機(jī)影像的牌坊在整體的質(zhì)量上都有了明顯提升，尤其在浮雕及鏤空部分，如圖4和圖5。

采用ArtecTMEva手持三維掃描儀（標(biāo)稱精度0.1mm）建立牌坊的部分三維點(diǎn)云模型，以點(diǎn)云模型為參照對象，用以評估融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維建模方法所建牌坊三維模型的精度。

分別測量兩組三維模型中的同一特征點(diǎn)坐標(biāo)，如圖6。共30組的坐標(biāo)偏差檢測結(jié)果如表1。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，牌坊三維重建模型的最大偏差為0.89mm，平均中誤差為0.47mm。

4 結(jié)論

融合無人機(jī)與相機(jī)的三維建模方法能詳實(shí)記錄古建筑的外觀及三維尺寸信息，為日后的維護(hù)、修繕甚至重建提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對桂林月嶺市月嶺牌坊的三維重建試驗(yàn)得出該方法有以下優(yōu)勢：

（1）結(jié)合無人機(jī)與相機(jī)對古建筑進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，所獲取的數(shù)據(jù)信息完整、全面。

（2）采用消費(fèi)級無人機(jī)與非量測相機(jī)對古建筑進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，設(shè)備成本低，有助于大規(guī)模推廣。

（3）通過對月嶺牌坊的試驗(yàn)證明該方法的測繪精度高，所建三維模型的最大偏差為0.89mm，平均中誤差為0.47mm。

綜上所述，融合無人機(jī)與相機(jī)影像的三維建模方法在古建筑保護(hù)中有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并且具有良好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

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