上海里弄建筑甄別中的三維測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用

■ 楊 敏

0 引言

近年來，隨著上海舊區(qū)改造工作的深入推進(jìn)，舊改地塊中歷史建筑的留存?zhèn)涫荜P(guān)注。根據(jù)普查成果，舊式里弄（簡(jiǎn)稱舊里）街坊與歷史文化風(fēng)貌區(qū)、風(fēng)貌保護(hù)街坊高度重疊[1]，舊改范圍內(nèi)的里弄建筑約84%都是歷史保護(hù)建筑（簡(jiǎn)稱歷保建筑），有一定的風(fēng)貌價(jià)值。對(duì)此，上海堅(jiān)持“留改拆”并舉，以保留保護(hù)為主的方針。

里弄建筑甄別是舊改項(xiàng)目中的基礎(chǔ)性工作，是對(duì)區(qū)域內(nèi)歷史建筑價(jià)值的初步鑒定及現(xiàn)狀情況的客觀摸底。由于這些建筑建設(shè)年代都較為久遠(yuǎn)，基本沒有圖紙資料，且大部分經(jīng)過多次改建、搭建，測(cè)繪工作便成為其中一個(gè)尤為重要的環(huán)節(jié)，其深度及全面性將直接影響到甄別報(bào)告的整體質(zhì)量。傳統(tǒng)測(cè)繪采用全站儀、測(cè)距儀、卷尺等設(shè)備，基本屬于一維到二維的測(cè)量手段，其精確度與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的測(cè)繪水平有很大關(guān)聯(lián)，成果也只局限于點(diǎn)、線、面，工作效率較低，難以達(dá)到里弄?dú)v保建筑的測(cè)繪深度要求；而三維激光掃描和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為目前較為熱門的實(shí)景三維測(cè)繪技術(shù)，能夠根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)或傾斜影像，自動(dòng)生成具有高精度、高分辨率，帶有空間坐標(biāo)及紋理信息的三維數(shù)據(jù)模型，已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪測(cè)量、地理信息系統(tǒng)、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)與施工、智慧城市、文物歷保建筑等領(lǐng)域。本文將以上海某里弄?dú)v保街坊為例，對(duì)上述兩種三維測(cè)繪技術(shù)在甄別工作中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，為同類的舊改項(xiàng)目提供參考借鑒。

1 三維激光掃描技術(shù)與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景還原技術(shù)，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，利用向被測(cè)對(duì)象發(fā)射激光束和接收由被測(cè)物發(fā)射回的激光信號(hào)，獲取被測(cè)對(duì)象的空間坐標(biāo)信息，得到所需的海量“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”，并通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)全面、快速地重構(gòu)出目標(biāo)三維模型及線、面、體、空間等各種制圖關(guān)鍵數(shù)據(jù)，據(jù)此進(jìn)行測(cè)繪、分析、仿真、模擬、監(jiān)測(cè)等后續(xù)工作。其技術(shù)路線主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、現(xiàn)場(chǎng)掃描作業(yè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、綜合應(yīng)用[2]（圖1）。

圖1 三維激光掃描主要技術(shù)路線

1.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是在傳統(tǒng)航測(cè)的基礎(chǔ)上，搭載多個(gè)傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集影像，在上空以極高效率按照擬定航線進(jìn)行多方位的三維數(shù)據(jù)采集；經(jīng)專業(yè)軟件處理后，可對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行快速建模，其照片影像同樣帶有紋理信息并具有可量測(cè)性，成果形式包括三維模型、三維點(diǎn)云、正射影像、數(shù)字表面模型等。其技術(shù)路線主要包括現(xiàn)場(chǎng)勘查、現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)作業(yè)、影像數(shù)據(jù)處理、綜合應(yīng)用等[3]（圖2）。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影主要技術(shù)路線

2 案例概況

上海某街坊占地面積約39 630 m2，居民戶數(shù)3 010 戶，是該行政街區(qū)近年來實(shí)施舊區(qū)改造體量最大的地塊。片區(qū)內(nèi)房屋為典型的“石庫門”里弄建筑，大多建造于1912—1936年，是磚木結(jié)構(gòu)的舊里（圖3）。本次舊改工作的目標(biāo)是：以分級(jí)保護(hù)的方式保留風(fēng)貌肌理、實(shí)現(xiàn)文化傳承，探索里弄舊區(qū)改造的新模式。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先要做好里弄建筑的甄別工作；而測(cè)繪作為這一切的先驅(qū)，其結(jié)果的深度和全面性將起到?jīng)Q定性作用。

3 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)掃描與數(shù)據(jù)處理

對(duì)案例街坊進(jìn)行初步踏勘，將整體里弄建筑群按照保護(hù)等級(jí)劃分成若干區(qū)域塊（圖3中以藍(lán)線劃分），并根據(jù)各區(qū)域塊情況初步擬定相匹配的掃描精度。以西側(cè)的區(qū)域塊為例，該區(qū)域?yàn)榻址恢斜Ｗo(hù)等級(jí)最高的地塊，在設(shè)計(jì)掃描架站路線方案時(shí)，大原則是力求以最少的測(cè)站數(shù)來覆蓋該區(qū)域塊的建筑范圍。因此，首先要盡可能保證路線不重復(fù)；同時(shí)，為了保證掃描成果的整體精度，設(shè)計(jì)路線的最后要與初始站點(diǎn)形成閉合（圖4）?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)普遍較窄，選用以重合率方式進(jìn)行各測(cè)站的拼接（即對(duì)相鄰測(cè)站之間掃描的重疊范圍進(jìn)行拼接）。

圖3 街區(qū)地塊范圍圖

圖4 西側(cè)區(qū)域地塊掃描路線布置方案

（1）在掃描過程中，根據(jù)里弄建筑間距小的特點(diǎn)，建筑間的廊道使用蛇形架站掃描方式進(jìn)行，且測(cè)站應(yīng)覆蓋外圍巷道及天井內(nèi)院；對(duì)于重點(diǎn)特色保護(hù)部位，可選擇更合適的掃描精度進(jìn)行進(jìn)一步的窗口框選掃描；對(duì)于需要的典型剖面測(cè)繪成果的建筑單體，則可以進(jìn)行室內(nèi)剖切區(qū)域的掃描。

（2）隨后轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)工作。在導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，先手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)各相鄰測(cè)站之間的平面及立面，并去除里弄建筑中大量諸如空調(diào)機(jī)架、線纜等噪點(diǎn)數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)不同的保護(hù)等級(jí)，采用抽稀的方式對(duì)此前劃分的各區(qū)域塊數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)輕量化；再經(jīng)過平面及豎向校核，組合形成整體地塊的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型（圖5），并據(jù)此進(jìn)行測(cè)繪成果的轉(zhuǎn)換。

圖5 里弄建筑地塊整體三維點(diǎn)云模型

3.2 建筑平面測(cè)繪

街坊內(nèi)的里弄建筑單體看似大同小異，但實(shí)際上，房型基本相同的同一排建筑外輪廓卻有可能各不相同，有的會(huì)在建筑總寬度上逐步延展，有的則整個(gè)建筑呈一個(gè)不規(guī)則的梯形。在使用傳統(tǒng)測(cè)距儀入戶進(jìn)行內(nèi)部測(cè)繪時(shí)，往往會(huì)因?yàn)榉啃偷念愃贫徽`導(dǎo)，或者在后期繪圖處理中將建筑輪廓簡(jiǎn)單的處理成一個(gè)矩形，使得測(cè)繪結(jié)果產(chǎn)生較大錯(cuò)誤。

本案例中，通過在里弄建筑群的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型上進(jìn)行水平剖切（圖6），可以將每一棟建筑單體的輪廓準(zhǔn)確無誤地繪制出來，并形成區(qū)域建筑總平面布置圖。隨后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪人員根據(jù)已經(jīng)確定的建筑外圍平面進(jìn)行室內(nèi)測(cè)量工作，可對(duì)單體建筑的總尺寸起到控制作用，大大提高了建筑平面測(cè)繪的準(zhǔn)確性。該方法也同樣適用于地塊內(nèi)一些帶弧形或不規(guī)則的建筑體。

圖6 三維點(diǎn)云模型平面剖切

3.3 建筑立面、剖面測(cè)繪

傳統(tǒng)的既有建筑立面測(cè)繪中，通常使用全站儀單站測(cè)量建筑外輪廓及門窗洞口的輪廓點(diǎn)；但對(duì)于一些山墻頂部造型、裝飾線、門窗樣式等，只能參考照片進(jìn)行粗略的仿繪，而這些元素大多正是里弄建筑的風(fēng)貌特色所在。采用三維激光掃描技術(shù)，可成功從單點(diǎn)測(cè)量方式跨越到三維成像測(cè)繪方式，將各個(gè)立面從建筑單體點(diǎn)云模型中截取出來，調(diào)整坐標(biāo)系；再導(dǎo)入CAD 中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)照片進(jìn)行現(xiàn)狀精細(xì)描繪（圖7）。對(duì)于甄別中要求的典型建筑剖面，也可以單獨(dú)截取剖切段進(jìn)行描繪，代替了以往參考平、立面進(jìn)行推敲剖面繪制的方式，使得剖面圖更加準(zhǔn)確，還能夠反應(yīng)出老式里弄中的一些特色檐口部位，最終獲得足以滿足歷保建筑測(cè)繪深度的街坊內(nèi)各單體立面、剖面圖。

圖7 立面點(diǎn)云導(dǎo)入CAD 描繪

3.4 特色門頭、雕花細(xì)部測(cè)繪建模

特色門頭、雕花細(xì)部是上海里弄建筑特色的重中之重，這對(duì)甄別中的測(cè)繪工作提出了更高的要求，其中存在兩個(gè)核心技術(shù)難點(diǎn)：一是如何準(zhǔn)確繪制這些復(fù)雜線條輪廓的平面圖；二是門頭線條存在大量的前后進(jìn)伸關(guān)系及雕花的弧形曲面，在二維繪圖成果中較難清晰表達(dá)。通過現(xiàn)場(chǎng)采集足夠精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先將這些門頭及雕花1 ∶1 描繪出來；其次，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Geomagic 三維軟件中，不斷調(diào)整適配掃描精度的三角面片數(shù)量，經(jīng)過曲面修補(bǔ)、網(wǎng)格優(yōu)化、網(wǎng)格重構(gòu)等操作，快速還原三維現(xiàn)狀模型[4]（圖8），為后續(xù)重點(diǎn)部位的歸檔、保護(hù)、翻建甚至3D 打印提供技術(shù)支撐。

4 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)航拍與數(shù)據(jù)處理

采用無人機(jī)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，首先要根據(jù)任務(wù)的擬定目標(biāo)調(diào)查是否為限飛區(qū)域，再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地踏勘，測(cè)量統(tǒng)計(jì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的建筑高度，重點(diǎn)關(guān)注周邊的高層建筑單體或構(gòu)筑物，盡量確定其準(zhǔn)確高度。為提高測(cè)量精度，需提前在街坊周邊的4 條馬路上布置一定量的像控點(diǎn)，要求點(diǎn)位周圍平坦，且點(diǎn)位清晰、易識(shí)別。本次航拍任務(wù)主要分以下兩部分。

（1）街坊主體區(qū)域傾斜攝影：選定合適的精度、飛行高度及拍照間隔。由于街坊西北角和東南角均有超過100 m 的高層建筑，在規(guī)劃飛行航線時(shí)，必須考慮飛行區(qū)域根據(jù)預(yù)設(shè)飛行高度發(fā)生的外擴(kuò)（接近1 ∶1），因此需要縮小或調(diào)整航線進(jìn)行必要的避讓。此時(shí)，沒有采集到數(shù)據(jù)的部位應(yīng)更多考慮采用三維掃描數(shù)據(jù)來替代，航線雙向重疊率均應(yīng)保證在80%以上。

（2）建筑單體立面補(bǔ)充拍攝。在主體區(qū)域飛行攝影時(shí)，由于里弄建筑間距較窄，其廊道間所形成的照片數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，此時(shí)需選擇手動(dòng)控制無人機(jī)對(duì)立面進(jìn)行補(bǔ)充拍攝，以此來完善現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)成果。隨后轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)工作，經(jīng)過幾何處理、平差等一系列復(fù)雜運(yùn)算，生成一張連續(xù)的TIN三角網(wǎng)，把現(xiàn)場(chǎng)拍攝的所有高分辨率影像圖附著到三角網(wǎng)上形成傾斜攝影模型；并通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行提取及轉(zhuǎn)換[5]。

4.2 復(fù)雜屋面測(cè)繪

上海里弄建筑的屋面有的為多坡屋面，上面不均勻地布置著大量老虎窗、煙囪、附屬構(gòu)件、搭建物等；即使是看似相同的同排建筑單體，屋面上的信息依舊有所不同。

傳統(tǒng)測(cè)繪往往會(huì)使用測(cè)距儀去到每一個(gè)閣樓或斜屋頂里打標(biāo)高、測(cè)坡度、定位老虎窗，再根據(jù)瑣碎的平面測(cè)繪信息整合推導(dǎo)出大致的屋頂平面布置圖，很容易發(fā)生遺漏信息的情況，使測(cè)繪成果的準(zhǔn)確性大打折扣。

采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，可通過ContextCapture 軟件對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理；如遇軟件運(yùn)算不穩(wěn)定的情況，則可選擇PhotoScan 軟件進(jìn)行嘗試運(yùn)算并導(dǎo)回成ContextCapture 軟件支持的空三文件。隨后，將數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換為las 格式，導(dǎo)入三維掃描處理軟件中生成三維點(diǎn)云模型（圖9），可以直觀地反映出屋面主要坡度及其上部的所有構(gòu)件信息。最后導(dǎo)入CAD 中，將屋面上的全部建筑信息逐一描繪出來，并與已經(jīng)完成的建筑單體平面、立面布置圖進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的對(duì)齊調(diào)整，形成全面、準(zhǔn)確的屋頂平面成果，達(dá)到傳統(tǒng)測(cè)繪方式無法比擬的屋面測(cè)繪效果。

圖9 里弄建筑群的屋面三維點(diǎn)云模型

4.3 三維數(shù)據(jù)模型融合互補(bǔ)

隨著實(shí)景三維測(cè)繪在城市建筑信息網(wǎng)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，建筑三維模型已經(jīng)成為歷保建筑項(xiàng)目中必不可少的交付成果之一[6]。三維激光掃描可以準(zhǔn)確地體現(xiàn)里弄建筑中的特色建筑立面、門頭、雕花等，但由于環(huán)境條件與架站的局限性，建筑上部空間往往存在掃描盲區(qū)，導(dǎo)致三維點(diǎn)云模型上部存在空白。無人機(jī)傾斜攝影則截然相反，越是靠近上部的區(qū)域，數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量就會(huì)越好，而靠近下部的數(shù)據(jù)則會(huì)因?yàn)榭臻g或樹木遮擋等原因發(fā)生變形或缺失；雖然經(jīng)過一些修模軟件處理后會(huì)得到一定改善，但過多的介入可能會(huì)帶來更大尺寸上的偏差。在此，將上述兩種測(cè)繪成果以三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行拼接融合，且拼接過程中需要先重點(diǎn)刪減無人機(jī)傾斜攝影成果中發(fā)生變形的立面部分，最終形成完整可靠的三維實(shí)景模型（圖10）。

圖10 三維掃描與無人機(jī)數(shù)據(jù)融合模型

5 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)測(cè)繪，三維測(cè)繪技術(shù)具有高精度、高效率的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，根據(jù)老式里弄建筑的特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)測(cè)繪方法，詳細(xì)介紹三維激光掃描和無人機(jī)傾斜攝影兩種實(shí)景三維測(cè)繪技術(shù)在上海里弄建筑甄別測(cè)繪中的工作流程及方法；通過解決一系列技術(shù)難題，形成全面、高效、準(zhǔn)確的測(cè)繪成果及三維數(shù)字模型，為今后類似的項(xiàng)目提供方法借鑒。