多元數(shù)字化技術(shù)在歷史建筑測繪中的應(yīng)用
——以廣豐區(qū)歷史測繪建檔項目為例

李陽靖 莫瑩菲

（南昌市測繪勘察研究院有限公司，江西 南昌 330038）

根據(jù)江西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳《關(guān)于進一步加強歷史文化街區(qū)和歷史建筑保護工作的通知》（贛建消[2021]5號）、江西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳《關(guān)于印發(fā)＜江西省歷史建筑測繪建檔三年行動計劃＞的通知》（贛建科設(shè)[2019]52號）要求，加強歷史文化街區(qū)和歷史建筑保護，上饒市廣豐區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局組織實施廣豐區(qū)第一批歷史建筑測繪建檔工作，建立一套完整的歷史建筑數(shù)字化檔案信息，為歷史建筑的保護、維護修繕提供依據(jù)。

1 項目概況及要求

本項目的工作內(nèi)容包括對廣豐區(qū)人民政府公布的第一批29 處歷史建筑進行測繪建檔，繪制每棟歷史建筑的總平面、平面、立面、剖面現(xiàn)狀圖測繪和典型構(gòu)件大樣圖測繪，其繪制符合國家的建筑制圖標準，并提交相應(yīng)的檔案信息表和圖紙。對其中城區(qū)的3處（南極拱輝、平水廟、學麟公祀）歷史建筑開展精細三維模型制作、室內(nèi)VR制作和保護圖則編制。測繪成果可應(yīng)用于歷史建筑數(shù)字檔案建立和管理，歷史建筑遷移與復建、核心價值要素復原修繕等工程。

2 總體技術(shù)路線設(shè)計

總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程

3 技術(shù)流程

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1.1 資料收集與分析

根據(jù)《廣豐區(qū)第一批歷史建筑名錄》，獲取歷史建筑名稱、位置、年代等基本信息，基于這些信息進行現(xiàn)場踏勘，了解歷史建筑的基本情況。通過現(xiàn)場拍照采集影像信息和歷史價值要素，通過現(xiàn)場調(diào)查收集產(chǎn)權(quán)信息、使用情況等信息，通過查詢當?shù)乜h志等資料，了解建筑的歷史沿革及當?shù)貧v史文化信息。對收集到資料進行整理和分析，形成初步的歷史建筑檔案信息表，為后續(xù)工作方案制定與執(zhí)行奠定基礎(chǔ)。

3.1.2 控制測量

平面坐標系采用2000 國家大地坐標系，江西省測繪地理信息局建設(shè)的江西省連續(xù)運行衛(wèi)星導航綜合服務(wù)系統(tǒng)（JXCORS）服務(wù)范圍覆蓋整個測區(qū)，可用于平面控制測量。高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準，使用似大地水準面精化模型進行高程擬合，獲取高程異常及加常數(shù)。每棟歷史建筑布設(shè)的控制點應(yīng)不少于4個，精度需滿足《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，平面精度達到城市二級點的要求，高程達到四等水準點的要求。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集

（1）三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)由于其精度高、獲取快、非接觸等特點，被廣泛應(yīng)用于歷史建筑測繪領(lǐng)域。突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢[1]。具體的工作內(nèi)容包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)主要是利用地面三維激光掃描儀進行架站式點云采集，包括作業(yè)路徑規(guī)劃、標靶布設(shè)測量、架站掃描采集等；內(nèi)業(yè)主要是點云數(shù)據(jù)拼接、誤差提取和修正、坐標系轉(zhuǎn)換、降噪與抽稀等后期對點云的一系列技術(shù)處理，最后得到具有空間三維坐標、RGB色彩、強度、回波等信息的三維點云數(shù)據(jù)。

采用Leica RTC360 掃描儀對歷史建筑進行掃描，該設(shè)備具有TruRTC 實景復制技術(shù)、VIS 視覺追蹤技術(shù)及Smart Reg 智能拼接技術(shù)。TruRTC 實景復制技術(shù)可以保證在短時間內(nèi)完成海量點云和高清影像的采集，VIS 視覺追蹤技術(shù)可在采集過程中進行點云的實時預拼接，無須標靶、無須公共點、無須人工干預，現(xiàn)場實時查看點云預拼接結(jié)果，Smart Reg 智能拼接技術(shù)提高了點云處理的效率，通過在拼接軟件中拖放、導入、發(fā)布三步，即可完成點云數(shù)據(jù)的智能拼接，方便快捷。

（2）傾斜航空攝影

無人機傾斜航空攝影技術(shù)是通過無人航空器搭載影像傳感器、GNSS定位、無線傳輸、慣性導航等系統(tǒng)從空中獲取地面多角度影像。利用多視影像聯(lián)合平差、多視影像結(jié)合點云密集匹配，結(jié)合POS 信息提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光速法平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果，解決航飛模型精細化重構(gòu)問題[2]。

采用大疆悟Inspire 2 無人機搭載禪思X5S 高清云臺相機，使用DJI GO4 軟件對目標區(qū)域進行規(guī)劃航線，通過調(diào)整鏡頭角度及航線方向，經(jīng)過多架次航飛，獲取地面垂直影像和多角度傾斜影像。經(jīng)傾斜攝影半自動化建模軟件進行空三加密，自動密集匹配可獲取建筑實景三維模型、正射影像及點云數(shù)據(jù)。其成果可以彌補掃描儀無法獲取屋頂完整的點云的缺點，也可以通過利用實景三維模型進行數(shù)字線劃圖采集，作為總平面圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）室內(nèi)VR全景拍攝

VR技術(shù)全稱虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種多學科綜合交叉應(yīng)用的人機交互技術(shù)[3]。將實地全景照片整合為全景投影，并予以3D還原展示，配合鼠標、手指觸摸拖動屏幕的操作方式，可謂身臨其境、觸手可及。輔助以雷達指向、場景縮放、特效切換、圖文解說、背景音樂等應(yīng)用，足不出戶就能讓觀賞者心馳神往于千里之外。VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，打破了各地歷史文化之間交流的壁壘，對文化的傳播有著較為深刻的意義。

采用眾趣3D 掃描相機對歷史建筑的室內(nèi)進行360°拍攝，該相機具有深度攝像頭，彩色圖像分辨率能達到16K。利用機器視覺和SLAM技術(shù)，能快速完成三維結(jié)構(gòu)重建，圖像拼接，紋理匹配，自動生成室內(nèi)3D實景模型，沉浸式360 度漫游展示室內(nèi)真實現(xiàn)狀，并可通過訪問該網(wǎng)址（https://beyond.3dnest.cn/play/index.html?m=b1021bae_nvFH_b6f9&o=1）進行平水廟室內(nèi)VR 全景瀏覽。

3.2 成果制作與管理

3.2.1 測繪圖紙與檔案制作

歷史建筑檔案是融合了建筑測繪圖紙、基本信息、影像資料等數(shù)據(jù)的歷史建筑“身份證”，能夠由表及里全方位記錄歷史建筑的現(xiàn)狀信息及歷史文化信息，歷史建筑受到水災(zāi)、風化、侵蝕等自然災(zāi)害后，對其進行歷史建筑的維護、修繕、重建提供了詳實資料。測繪圖紙是以三維激光掃描數(shù)據(jù)和數(shù)字影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過逆向設(shè)計方式，結(jié)合對歷史建筑的理解，將三維立體點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)二維矢量化圖紙。測繪圖紙包括總平面現(xiàn)狀測繪圖、平面現(xiàn)狀測繪圖、立面現(xiàn)狀測繪圖、剖面現(xiàn)狀測繪圖、典型構(gòu)件大樣圖，總平面圖整體描述了歷史建筑的空間位置及周邊環(huán)境，平立剖面圖準確描繪了歷史建筑的結(jié)構(gòu)尺寸及工藝做法，大樣圖詳細表達了精美構(gòu)件的藝術(shù)特征及歷史價值。將點云數(shù)據(jù)導入CAD 軟件，通過點云切片、輪廓提取、尺寸標注等步驟，按照《房屋建筑制圖統(tǒng)一標準》《建筑制圖標準》等規(guī)范繪制歷史建筑圖紙，平水廟的測繪圖紙成果如圖2所示。

圖2 平、立、剖面圖

3.2.2 三維模型制作

建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實中的技術(shù)核心，虛擬現(xiàn)實對世界反映的真實性狀況與建模技術(shù)有著密切的關(guān)系[4]。通過現(xiàn)場三維激光掃描，能夠獲取各種大型、復雜、不規(guī)則的、標準或非標準等實體的三維空間數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)手工建模，點云數(shù)據(jù)為模型構(gòu)建提供了高精度的空間參照，結(jié)合現(xiàn)場真實紋理采集，可以將歷史建筑按照1:1的比例進行真實復刻。基于3DMax軟件，制作以下三個部分的模型：①地形模型，作為承托建筑本體及其他附屬設(shè)施的平臺；②建筑物模型，包括外墻、門窗、支柱、梁架等建筑主體結(jié)構(gòu)模型；③構(gòu)筑物模型，包括塑像、匾額、瓦當、脊獸、雕花等復雜而精美的部件模型。建模的一般流程是拆解復雜結(jié)構(gòu)、構(gòu)建基本單元模型、貼圖處理及紋理映射、模型烘焙與渲染，從點云到模型制作流程如圖3所示。

圖3 三維模型制作流程

3.2.3 保護圖則制作

歷史建筑保護圖則是歷史建筑的保護傘，且經(jīng)過多方面考慮而制定的全面保護規(guī)劃方案，防止各種人為因素對歷史建筑造成破壞。歷史建筑保護圖則需要對歷史建筑的現(xiàn)狀概況和保護要求做深入細致的表述，還應(yīng)根據(jù)歷史建筑的實際情況，結(jié)合歷史建筑周邊歷史文化名城保護規(guī)劃及歷史文化街區(qū)保護規(guī)劃，適當擴大歷史建筑的保護范圍和建設(shè)控制地帶的范圍，以確保歷史建筑的周邊整體環(huán)境得到妥善保護。通過歷史建筑現(xiàn)狀分析及評估明確歷史建筑禁止性使用功能，不同的建筑進行再利用改造時根據(jù)不同的功能、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)權(quán)管理、投資預算等方面的具體情況進行具體分析，然后按照一定的保護原則選擇適當?shù)谋Ｗo模式，如現(xiàn)狀保存、修繕維護、加固改造、異地遷移等多種保護模式。保護圖則編制工作主要包括基礎(chǔ)資料收集、現(xiàn)場調(diào)研、現(xiàn)狀分析評估、劃定保護范圍、確定保護措施幾個步驟，保護圖則的主要成果包括基本信息及保護規(guī)劃控制圖、核心價值要素信息圖、現(xiàn)狀評估及保護措施引導圖等，部分成果如圖4所示。

圖4 保護圖則成果

4 結(jié)語

本文結(jié)合廣豐區(qū)歷史建筑測繪建檔項目，闡述了通過綜合使用三維激光掃描、傾斜攝影、虛擬現(xiàn)實等多種技術(shù)快速構(gòu)建歷史建筑地空一體化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方法以及多元數(shù)字成果制作的流程。歷史建筑測繪圖紙和檔案成果是對歷史建筑本體空間結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀屬性的準確描述，在歷史建筑受到自然災(zāi)害影響后的維護修繕等方面有著重要作用。保護圖則成果是經(jīng)過對歷史建筑進行現(xiàn)狀分析后制定的全面的保護方案，在預防歷史建筑受到人為因素破壞等方面有著指導作用。三維模型及室內(nèi)VR是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)物，能夠?qū)v史建筑進行沉浸式仿真模擬，并且可以移植到多種平臺上讓用戶進行交互式瀏覽，對于歷史文化的宣揚與傳承有著積極意義。通過對歷史建筑保護的多維度思索與實踐，傳統(tǒng)歷史建筑的文化與魅力會逐漸綻放出耀眼的光芒。