測繪新技術(shù)在古建保護(hù)中的融合應(yīng)用

王商富

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

以木質(zhì)材料為主的中國古建筑，其材料特質(zhì)和特性決定了其保存難度大，保存時間短。木材易腐易燃，一旦發(fā)生自然因素破壞或人為因素?fù)p毀，其研究領(lǐng)域與文化領(lǐng)域的價值損失不可估量，且永不可逆。而現(xiàn)階段想要降低損失的危害和風(fēng)險，就必須做好古建筑的資料保存工作和測繪工作[1]。傳統(tǒng)古建筑建檔測繪的做法目前主要還是組織人力現(xiàn)場借助測距儀采集測量，存在著諸多問題，比如效率低(采集缺漏、測量尺寸反復(fù)校對)、精度不均(平立剖圖件變形)、用途單一(缺少修繕?biāo)玫木哂锌臻g位置的細(xì)節(jié)紋理以及信息化建設(shè)所需的三維模型)等問題。因此，急需測繪新技術(shù)去改進(jìn)現(xiàn)有的工作做法，以解決上述問題。

2 新型測繪技術(shù)

《中華人民共和國文物保護(hù)法(2017年修正本)》實施以來，越來越多已經(jīng)普查認(rèn)定的文物古建列入保護(hù)范圍，對空間信息獲取效率、成果質(zhì)量提出更高要求，新型空間信息獲取技術(shù)相互融合、優(yōu)勢互補(bǔ)成為新的發(fā)展趨勢[2]。本文新型測繪技術(shù)融合應(yīng)用主要涉及傾斜攝影測量、貼近攝影、三維激光掃描等。

2.1 傾斜及貼近攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術(shù)。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，通過多臺傳感器從不同的角度采集數(shù)據(jù)，快速、高效獲取豐富的古建筑及周邊數(shù)據(jù)信息[3]，實現(xiàn)三維實景的快速重建，但是傾斜攝影基本只能實現(xiàn)厘米級的攝影測量，對于亞厘米甚至毫米級攝影測量還存在技術(shù)和操作困難。貼近攝影技術(shù)是旋翼無人機(jī)應(yīng)用于近景攝影測量，從而形成的一種全新攝影測量方式，通過多角度對地物貼近物體表面攝影獲取超高分辨率影像，提取精細(xì)化地理信息，能夠?qū)崿F(xiàn)亞厘米甚至毫米級的地物分辨率要求，具有可高度還原地表和物體精細(xì)結(jié)構(gòu)的特點，但是在古建筑測繪中也有明顯的缺點，如古建筑內(nèi)部無法通過無人機(jī)貼近攝影實施采集。

2.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制技術(shù)”[4]，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術(shù)。并且可以通過激光掃描儀內(nèi)置或外接的同軸數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像將點云賦上真彩色。三維激光掃描由于其使用簡單、掃描快速，操作安全且精度高等技術(shù)優(yōu)勢，可以極大地提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率。然而該技術(shù)在古建筑測繪應(yīng)用上也存在明顯不足，如古建筑頂部上豐富的屋頂風(fēng)格及式樣等無法掃描到、相機(jī)拍攝視角不理想、后處理軟件處理效率偏低等。

2.3 技術(shù)融合

針對無人機(jī)傾斜、貼近攝影測量技術(shù)和三維激光掃描各自的優(yōu)缺點，本文將三種技術(shù)手段結(jié)合起來，互相彌補(bǔ)不足，并將其用于古建筑建模及建檔測繪工作中。測繪及模型數(shù)據(jù)經(jīng)整理后存檔建庫，成為古建筑日后研究、維護(hù)、修繕或重建時的主要依據(jù)和重要的參考資料[5]。

3 技術(shù)特點及總體路線

古建筑的傳統(tǒng)測繪方法主要包括了前期資料整理匯總、實地調(diào)研、粗繪草圖、現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量、精細(xì)制圖、檢查校核及存檔等步驟。隨著測繪技術(shù)發(fā)展，結(jié)合傾斜、貼近攝影測量對古建筑實施無接觸攝影和利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑內(nèi)外掃描建模，體現(xiàn)出測繪精度高、內(nèi)外業(yè)有效銜接、現(xiàn)場草圖繪制精簡、成果校核快速等優(yōu)點。

在閩清和閩侯兩縣158處古建筑的建檔測繪工作實踐中。首先，需收集測區(qū)內(nèi)相關(guān)已有資料；其次，采用三維激光架站掃描方法獲取全數(shù)字化古建筑高密度三維點云數(shù)據(jù)和360全景影像，利用無人機(jī)傾斜、貼近攝影免像控方式獲取高分辨率多視影像數(shù)據(jù)；然后分別對點云、影像數(shù)據(jù)加工處理生成兩套點云三維和實景三維模型，并對不同來源的點云模型實施配準(zhǔn)與融合；最后，利用上述融合好的點云數(shù)據(jù)剖切成相應(yīng)角度和厚度的點云，并結(jié)合模型數(shù)據(jù)、360全景影像和數(shù)碼影像綜合繪制古建筑的總平面、平面、立面、剖面和典型構(gòu)件大樣等成果圖件。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

4 實施方案

4.1 無人機(jī)傾斜及貼近攝影實景三維建模

古建筑主要分為古民居、宗祠、寺廟、古塔、廊橋、碑等。因此，分別針對古建筑及塔式風(fēng)貌建筑利用大疆精靈Phantom 4 RTK實施傾斜及貼近攝影測量方式，古建筑航線設(shè)計類型包括空中垂直航攝、傾斜攝影、貼近攝影，塔式風(fēng)貌建筑航線設(shè)計類型包括高空環(huán)繞拍攝、低空貼近攝影。航線設(shè)計展示如圖2、圖3所示。

圖2 古建筑高空、傾斜、貼近攝影相結(jié)合航線設(shè)計

圖3 塔式高空、貼近攝影航線設(shè)計

由于大疆創(chuàng)新科技完成免像控航測處理方案關(guān)鍵核心包含：高精度RTK模塊、TimeSync精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高精度三軸云臺及大疆智圖的優(yōu)化算法。因此，可以利用大疆智圖軟件對傾斜、貼近多視影像結(jié)合千尋CORS解算的高精度POS數(shù)據(jù)實施免像控方法空三建模及解算，通過高效、高精度的影像匹配算法，自動匹配出影像中的海量同名點，并從影像中抽取足夠的特征點構(gòu)成與影像分辨率相匹配的密集點云[6]。開展古建筑實景三維重建，實景三維成果如圖4、圖5所示，三維模型紋理清晰精細(xì)，真實還原了古建筑的雕花、文字及細(xì)作等局部結(jié)構(gòu)，可以滿足古建筑三維建檔保護(hù)需求。

圖4 古建筑全貌及細(xì)部

圖5 塔式建筑全貌及細(xì)部

4.2 地面激光掃描及數(shù)據(jù)處理

采用徠卡RTC360三維激光掃描系統(tǒng)對古建筑實施室內(nèi)外掃描及影像拍攝，該掃描儀采用VIS視覺追蹤技術(shù)和SmartReg智能拼接技術(shù)，可實現(xiàn)外業(yè)掃描數(shù)據(jù)的自動拼接。在設(shè)站時，測站間無須通視，確保測站間點云重疊率不低于30%，結(jié)合針對古建筑的結(jié)構(gòu)特點，在檐廊以及各穿枋之前均應(yīng)設(shè)站，保證斗拱與梁架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)能夠完整采集。在保證拼接誤差不大于 15 mm的前提下，而且為了后續(xù)降低數(shù)據(jù)處理工作量，僅對建筑庭院、中廳等核心區(qū)域?qū)嵤┲懈叻直媛?6mm@10m或3mm@10m)的掃描，其余位置則只需低分辨率(12mm@10m)掃描，以提高掃描效率。

對于外業(yè)掃描數(shù)據(jù)的后處理，只需內(nèi)業(yè)導(dǎo)入激光掃描儀配套的Register360點云拼接軟件即可完成各站點云數(shù)據(jù)的拼接與著色，并優(yōu)化外業(yè)拼接好的點云，檢查點云模型的完整性、拼接的準(zhǔn)確性。對個別未自動拼接起來的測站，通過目視配準(zhǔn)的方式實施配準(zhǔn)拼接，確保室內(nèi)外點云數(shù)據(jù)拼接為一個完整的模型，不存在可見的點云分成現(xiàn)象后，完成點云數(shù)據(jù)的拼接，并將配準(zhǔn)拼接完成的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

4.3 點云配準(zhǔn)融合建模

傾斜、貼近攝影密集匹配所抽取的大量密集點云，與地面三維激光掃描儀掃描獲取的拼接點云利用徠卡Cyclone點云處理軟件實施數(shù)據(jù)融合，融合界面如圖6所示。數(shù)據(jù)融合前要先保證兩種點云數(shù)據(jù)格式的一致性，一般轉(zhuǎn)換為點云通用格式*.las。由于攝影測量生成的點云具有高精度三維絕對坐標(biāo)信息，而激光點云在無布設(shè)控制點情況下僅有相對坐標(biāo)，因此將兩種點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)融合的過程中，以攝影測量生成的點云為基準(zhǔn)，使用自動迭代和校準(zhǔn)配準(zhǔn)法(也即ICP算法)和人工配準(zhǔn)相結(jié)合的方法，精確對齊融合拼接兩種點云數(shù)據(jù)，從而得到高精度完整的融合點云模型[7]，融合點云經(jīng)過著色效果如圖7所示。

圖6 點云融合界面圖

圖7 攝影測量點云與激光點云融合著色效果圖

4.4 建檔測繪采集及成果精度分析

(1)基于融合點云切面的建檔測繪采集

利用AutoCAD和徠卡Cyclone Cloudworx軟件加載點云融合后的成果，并采用點云切片功能對其切片，基于切片后的點云繪制圖件。在切片處理前需對點云模型建立正交坐標(biāo)系，一般選取歪曲程度最低的檐柱和脊柱的柱礎(chǔ)中心作為坐標(biāo)軸參考點建立坐標(biāo)系，最后根據(jù)建檔測繪的相關(guān)要求，在天正CAD軟件中，按照平面圖、剖面圖、立面圖的順序，根據(jù)切片后的點云影像，依據(jù)法式測繪的要求實施繪制。在繪制平面圖的過程中，首先對離地高約 1.5 m處的點云以約 10 cm的厚度裁切，清楚地確定柱位、柱徑、墻板的厚度、門窗的位置和大小等，基于該點云切面完成柱子、墻體、門窗的繪制后，將地面以上的房屋結(jié)構(gòu)去除，僅保留地面點云，繪制天井鋪石等地面元素，快速識別地面的材質(zhì)并加以標(biāo)注。其中一處古建筑的平面圖采集如圖8所示。剖面圖至少包含建筑縱向、橫向剖面各1張，實際測繪中一般沿建筑中軸剖切繪制橫剖圖，沿正脊剖切繪制縱剖圖，如圖9所示。經(jīng)整飾后的相關(guān)成果圖件如圖10～圖13所示。

圖8 平面點云切面與線劃疊套圖

圖9 立面點云切面與線劃疊套圖

圖10 總平面圖

圖11 一層平面圖

圖12 正、側(cè)立面圖

圖13 縱、橫剖面圖

針對塔、牌坊、橋梁等非傳統(tǒng)建筑類型的構(gòu)筑物，無須地面激光掃描，只需對攝影測量建立的三維模型通過SV365軟件直接裁剪、定向等操作，得到各構(gòu)筑物的平面、立面等具有真實尺寸的高分辨率近景正射影像，進(jìn)而完成圖件的繪制，如圖14、圖15所示。與傳統(tǒng)的近景攝影測量技術(shù)相比，通過無人機(jī)貼近攝影技術(shù)獲取三維實景模型得到的正射影像，擺脫了拍攝距離限制的同時，拍攝角度更加全面，得到的影像更加精細(xì)。

圖14 尚干庵塔立面疊加圖 圖15 升平人瑞坊立面疊加圖

(2)成果檢查分析

生成的模型所有點數(shù)據(jù)有地理位置信息，同時模型還具有可測量性質(zhì)[8]，以唐棟厝古建筑模型為例，本次人工測得25組邊長數(shù)據(jù)與在點云模型測得的數(shù)據(jù)對比精度統(tǒng)計如表1所示。

唐棟厝古建筑邊長精度統(tǒng)計表 表1

由表1數(shù)據(jù)可知，利用激光測距儀人工現(xiàn)場邊長量測檢核，基于點云融合模型所采集的圖件內(nèi)部邊長整體誤差達(dá)到 3.3 cm，完全能滿足古建筑測繪建檔精度要求，而且較差數(shù)值較為均勻，均在古建筑測繪的允許誤差范圍內(nèi)。

由于免像控攝影測量和地面激光掃描在建立三維點云模型時，無須過多的人工干預(yù)操作，只要按照相關(guān)的操作流程，就能實現(xiàn)模型一致化的要求，可以有效降低傳統(tǒng)古建筑測繪人工采集過程中出現(xiàn)的現(xiàn)場漏測、誤測及多次反復(fù)修正等常見問題出現(xiàn)的頻率。

5 結(jié)論和討論

工程實踐顯示：①針對不同類型的古建(構(gòu))筑物應(yīng)采用傾斜、貼近攝影等不同的航攝方案；②攝影測量建模生成的點云和激光點云融合過程中要注意精確匹配，控制好物體表面點云厚度，以便提高采集測繪精度；③對融合后的點云切面繪圖工作，應(yīng)根據(jù)建檔測繪中平面圖和剖面圖的采集類別，設(shè)計好點云剖切位置及相應(yīng)厚度，提高采集效率和精度。

無人機(jī)傾斜及貼近攝影測量技術(shù)對于古建筑保護(hù)測繪中地形圖采集、立面圖測繪工作在效率和精度上有明顯的提升，三維點云融合數(shù)據(jù)在平面圖、剖面圖的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用上能夠較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)古建筑測繪中效率不高、精度不穩(wěn)定、完整性不足以及檢核效率低下等缺點。但還需改進(jìn)部分方法，如地面架站式激光掃描儀雖然采集精度高、點云密度大，但由于架站數(shù)多、后期拼接效率不高等特點，需要手持或者背包式移動激光掃描技術(shù)更能實現(xiàn)高效掃描，更好地服務(wù)于古建筑保護(hù)工作中。另外，由于海量點云、攝影影像、全景照片和三維實景模型等信息較為豐富，除用于常規(guī)平立剖等圖件的繪制，還詳細(xì)記錄了古建筑的細(xì)節(jié)現(xiàn)狀和價值要素，而且還能及時發(fā)現(xiàn)古建筑結(jié)構(gòu)變形隱患如墻體的傾斜、柱子的歪閃、梁架的撓曲等，以及其他殘缺損毀情況如墻體坍塌、門窗破損、屋頂及瓦片殘缺等。因此，要充分利用測繪新技術(shù)，開展古建筑的三維數(shù)字化建檔，后續(xù)還可依據(jù)三維實景模型輔助古建筑的保護(hù)性修繕以及旅游開發(fā)管理等應(yīng)用。