基于貼近攝影測量的歷史建筑遺產(chǎn)數(shù)字化方法探討

邢亞東

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢）

引言

建筑是一座城市的記憶, 是城市歷史的見證者。在我國不同地域分布著風格獨特的歷史建筑，如上海、武漢等地的民國特色建筑群、哈爾濱的俄式風格建筑群等。我國擁有眾多的歷史建筑，但因建筑分散、資金、技術(shù)等原因，很多歷史建筑沒有得到及時的保護，巴黎圣母院大火，再次敲響了優(yōu)秀建筑保護的警鐘，歷史建筑數(shù)字化和構(gòu)建三維精細化建模已刻不容緩[3]。

1 貼近攝影測量基本原理

貼近攝影測量是面向?qū)ο蟮臏y量，無人機鏡頭角度平行于被測物體，通過近距離獲取亞厘米和毫米級超高分辨率影像。為了實現(xiàn)無人機智能貼近飛行，需要規(guī)劃無人機三維航線，通過無人機傾斜攝影測量，先建立一個精度不高的“粗模型”，以“粗”模型為基礎(chǔ)規(guī)劃三維航線，然后通過無人機貼近飛行、手持補拍實現(xiàn)對建筑細節(jié)紋理的針對性拍攝[4]。

貼近攝影測量流程見圖1。

圖1 貼近攝影測量流程

2 應(yīng)用與分析

2.1 實驗對象

打造漢口歷史文化風貌街區(qū)，保留百年老建筑的城市記憶，賦予歷史建筑新活力，是武漢市江岸區(qū)對歷史建筑價值的充分肯定。本研究以武漢市歷史優(yōu)秀建筑——巴公房子為例，介紹無人機貼近攝影測量在歷史建筑保護方面的實際應(yīng)用。該建筑建成于1910年，典型的俄羅斯建筑風格，屬近代古典復(fù)興式建筑，巴公房子實景見圖2。

圖2 巴公房子實景

2.2 “粗模型”創(chuàng)建

本項目采用大疆無人機對建筑進行傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集，將獲得的影像數(shù)據(jù)導入Context Capture軟件完成模型構(gòu)建[5]，為三維航線規(guī)劃提供模型依據(jù)。

2.3 貼近攝影測量航線規(guī)劃

基于無人機傾斜攝影測量生產(chǎn)的“粗模型”，運用無人機三維航線規(guī)劃軟件分別對建筑頂面和側(cè)面進行航線規(guī)劃。

（1）本項目采用多普云無人機智能航線規(guī)劃軟件（DP GO）規(guī)劃航線，首先將“粗”模型點云數(shù)據(jù)導入軟件，選擇目標建筑范圍創(chuàng)建規(guī)劃對象。

（2）貼近航線規(guī)劃[6]。無人機貼近飛行時一般離物體的面5～50 m 為宜，距離太近有操作風險，距離太遠相片分辨率不足。分別對建筑的頂面、外側(cè)面、內(nèi)側(cè)面規(guī)劃正拍、側(cè)拍航線（見圖3）。航向重疊度和旁向重疊度分別為80%和70%。建筑頂面較為開闊，設(shè)置航拍距離為15 m。為保證飛行安全，建筑外側(cè)面航線設(shè)置在道路中線開闊處，將航線與建筑的距離設(shè)置為10 m。建筑內(nèi)部有2 個天井，其中一個天井為四邊形，尺寸為20 m×20 m，航線距建筑內(nèi)側(cè)面的距離設(shè)置為10 m。另外一個天井為三角形，空間狹窄，采用手動補拍的方式進行。

圖3 建筑頂面、立面航線規(guī)劃

根據(jù)影像地面分辨率如式（1）所示

式中，H 為飛行高度；f 為相機焦距；a 為像元大小。

由式（1）得出：建筑頂面影像分辨率為4 mm，建筑立面影像分辨率為2.8 mm。

（3）檢查航線、模擬飛行[7]。軟件根據(jù)點云數(shù)據(jù)對規(guī)劃的航線進行自動檢查，對超過預(yù)警距離的航點進行標記。對于標記的航點通過調(diào)整航飛范圍、距離、刪除航點的方式進行修改，然后對修改后的航線重新檢查，直到航線通過檢查。

對檢查通過的航線進行三維模擬飛行（見圖4），驗證三維航線的可靠性。

圖4 模擬飛行

（4）航線導出。航線通過檢查和模擬飛行后輸出航線規(guī)劃文件。

2.4 貼近攝影測量數(shù)據(jù)采集

將規(guī)劃的貼近攝影測量航線導入DPGO 飛行控制軟件，采用大疆無人機對建筑的面進行自動化航拍，獲取建筑細部影像和結(jié)構(gòu)紋理信息。

2.5 手動補拍

巴公房子平面成銳角三角形，中部為三角形天井的院子，院子空間較小，且部分位置有線纜穿過，不利于無人機自動飛行。采用人工手動操作無人機對空間狹小區(qū)域、檐廊、露臺、曲欄和立柱等造型復(fù)雜位置進細節(jié)補拍。

2.6 精細化模型重建

數(shù)據(jù)采集完成后，將影像數(shù)據(jù)導入Context Capture 軟件，通過空三測量、影像匹配等流程生成巴公房子模型成果。經(jīng)檢查，模型完整、紋理清晰、色彩逼真、無凹陷空洞情況[8]，三維模型見圖5。

圖5 三維精細化模型

2.7 模型精度分析

為驗證模型精度，在測區(qū)布設(shè)控制點，現(xiàn)場采用全站儀免棱鏡方法分別對建筑的房角點、窗角點及其他明顯點均勻采集了14 個檢核點的平面坐標和高程數(shù)據(jù)。利用清華山維EPS 軟件在三維模型上提取檢核點位置的點坐標和高程，并進行比對，得到平面坐標和高程差值，并以此評定模型的點位中誤差和高程中誤差，見表1。

表1 平面點位中誤差及高程中誤差 （單位：m）

由表1 分析可知：經(jīng)過計算得出模型在X、Y 方向上的中誤差分別是0.008 m、0.010 m，即平面點位中誤差為0.012 m，高程中誤差為0.010 m，根據(jù)《城市測量規(guī)范》，按照房產(chǎn)分幅圖地物點、房產(chǎn)要素點與鄰近控制點的點位中誤差為0.05 m，考慮到房產(chǎn)分幅圖不表示高程精度，高程中誤差參照平面點位中誤差設(shè)定為0.05 m，經(jīng)過對比，可知模型精度滿足要求。

考慮到建筑保護與修復(fù)過程中對建筑的尺寸較為重視，外業(yè)測量時，對窗臺、裝飾磚等特征位置各量取12 個水平、垂直距離數(shù)據(jù)，并與模型相同位置的長度信息進行對比分析（其中△S 為水平距離差值，△H 為垂直距離差值），見圖6。

由圖6 數(shù)據(jù)的曲線走勢分析可知，△S、△H 相關(guān)性高，說明模型精度較為穩(wěn)定，現(xiàn)場平面距離量測值和模型距離量測值之差最大值為0.009 m，最小值為0.004 m；垂直距離量測值和模型距離量測值之差最大值為0.008 m，最小值為0.003 m，精度較高，均符合相關(guān)規(guī)范要求。

圖6 平面、垂直距離精度檢測

3 精細化三維模型的應(yīng)用

3.1 生產(chǎn)建筑立面圖[9]

本項目使用EPS 地理信息工作站基于精細化模型繪制建筑立面圖，為設(shè)計人員提供修復(fù)依據(jù)，建筑立面圖見圖7。

圖7 建筑立面圖

3.2 建筑遺產(chǎn)數(shù)字化存檔

由貼近攝影測量得到的精細化三維模型能夠真實表達物體空間位置和紋理信息，對于實現(xiàn)歷史建筑遺產(chǎn)數(shù)字化，建立歷史建筑數(shù)字博物館，實現(xiàn)對歷史建筑的存檔、展示和在線瀏覽等功能，為歷史建筑修復(fù)與復(fù)原提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本研究提出的利用貼近攝影測量技術(shù)生產(chǎn)建筑精細化三維模型，經(jīng)過案例數(shù)據(jù)分析表明成果精度滿足要求。

貼近攝影測量成果豐富、便于存儲，相信該技術(shù)在歷史建筑保護方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在古建筑保護與修復(fù)、水利工程監(jiān)測、城市精細三維建模等方面的應(yīng)用更加廣泛。