多攝影測量融合三維激光掃描技術(shù)在不可移動文物建筑測繪中的應(yīng)用

在不可移動文物的保護過程中，構(gòu)建精確的文物數(shù)字模型并開展平立剖測繪建檔工作，為文物的保護、展示和修繕等工作提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。近些年的研究和實踐表明，單純運用傾斜和貼近攝影測量或三維激光掃描技術(shù)，都存在一定的局限性，不能夠完全滿足文物保護和測繪建檔的相關(guān)要求。文中以福建省閩清縣不可移動文物測繪建檔為例，簡單探討采用多攝影測量技術(shù)融合三維激光掃描技術(shù)的方法輔助文物保護的測繪模式，以供參考。

不可移動文物是傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要載體，因其不可移動且基本長期處于自然環(huán)境中，不可避免地會受到自然侵蝕或其他破壞，故文物保護工作任重道遠。不同文物的本體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、構(gòu)件等各具特色，這對保護工作的數(shù)據(jù)采集提出了更高的要求。隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，基于無人機傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術(shù)獲取的實景三維模型和點云模型精確詳實地記錄了不可移動文物的內(nèi)外空間尺寸和紋理色彩信息，該技術(shù)具有精度高、速度快、可量測等優(yōu)點，同時，對文物及其周邊環(huán)境的各項參數(shù)信息保存完整，相關(guān)數(shù)據(jù)存在可延展性。因此，傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術(shù)在不可移動文物保護領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

多攝影測量以及三維激光掃描技術(shù)概述

傾斜和貼近攝影測量技術(shù)。近年來，傾斜攝影測量技術(shù)呈井噴式發(fā)展，突破了航測遙感影像單方面垂直攝影的局限性，其通過多傳感器從1個垂直、4個甚至更多傾斜角度進行數(shù)據(jù)采集，高效、快速地獲取豐富的不可移動文物的建筑及其附屬數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高精度和高分辨率的實景三維模型等系列地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)。

貼近攝影測量是精細化對地觀測需求和多旋翼無人機發(fā)展結(jié)合的產(chǎn)物，其對目標對象表面任意角度貼合飛行以獲取亞厘米級分辨率影像，從而進行數(shù)據(jù)重建，高度彌補了常規(guī)傾斜攝影無法達到精度要求的缺陷，能高度還原目標對象精細結(jié)構(gòu)特征，使其紋理更加清晰，模型成果更加立體生動。

三維激光掃描技術(shù)。近年來三維激光掃描技術(shù)逐漸普及應(yīng)用，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術(shù)，可實現(xiàn)面式、體式的多源信息復(fù)合獲取，從而將三維現(xiàn)實空間數(shù)字化。該技術(shù)通過向目標發(fā)射激光束，監(jiān)測激光反射后的時間和強度，利用三角測量原理計算目標的三維空間信息。其操作簡便、數(shù)據(jù)獲取快速、精度高，可極大提高作業(yè)效率。

多源數(shù)據(jù)技術(shù)融合使用

結(jié)合傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點，借助三種技術(shù)手段對不可移動文物進行內(nèi)外測繪建模，通過數(shù)據(jù)空間配準、坐標系統(tǒng)統(tǒng)一、點云粗匹配和ICP配準等方式對無人機實景三維模型和真彩色三維點云模型（如圖1所示）進行融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，再基于上述數(shù)據(jù)對其進行切片使用，配以360全景影像及數(shù)碼照片，綜合繪制不可移動文物的總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖和典型構(gòu)件大樣圖等。

技術(shù)路線及實施

技術(shù)路線設(shè)計。閩清縣不可移動文物測繪建檔工作流程主要包括準備工作、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、繪制平立剖圖件和成果檢查與提交四個環(huán)節(jié)。首先，收集本項目不可移動文物的基礎(chǔ)資料并制定詳細的作業(yè)計劃；隨后，利用三維激光掃描儀、無人機以及數(shù)碼相機進行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，內(nèi)業(yè)繪圖人員根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集后生產(chǎn)的三維模型進行平立剖圖件的繪制；最后，進行成果的檢查與提交。

主要技術(shù)方案實施。一是技術(shù)準備。利用已有資料及現(xiàn)場情況勘察結(jié)果，充分了解作業(yè)區(qū)域的山體植被、高壓鐵塔分布和交通條件，并核實相關(guān)資料的可靠性。根據(jù)測區(qū)情況進行航線敷設(shè)、測站點選擇和掃描路徑規(guī)劃，并檢查飛行器、掃描儀各部件及附件齊全、匹配，各部位連接緊密、穩(wěn)定。同時，檢查電池容量和內(nèi)存容量，確保滿足作業(yè)范圍和作業(yè)時間的需要。

二是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。采用徠卡RTC360地面三維激光掃描儀（掃描速率200萬點/秒，點位精度1.9毫米）和NavVis VLX穿戴式掃描儀（掃描速率2×32萬點/秒，點云相對精度8毫米），根據(jù)設(shè)計的掃描路徑獲取點云數(shù)據(jù)。其中，穿戴式掃描儀需以勻速的方式行進，掃描過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整，以5米距離為間隔同步拍攝全景照片。盡量不要有行人跟隨，以免點云模型成果中出現(xiàn)過多人影以及著色錯誤現(xiàn)象。同時，通過觀看儀器中的顯示屏，實時查看掃描的完整性與模型拼接的準確性，如發(fā)現(xiàn)不完整盡可能采取閉環(huán)迂回的形式對缺失區(qū)域補充。若相同位置點云出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)及時分析原因并重新掃描。對于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者存在精細構(gòu)件、紋飾等部位，進行多角度、高密度點云采集。

采用大疆Phantom 4 RTK無人機及飛行控制端（POS輔助），進行航線5向飛行與貼近攝影相結(jié)合獲取影像數(shù)據(jù)。飛行的航線高度一般不高于60米（百米分辨率為2.74厘米），個別地區(qū)根據(jù)文物點所在的周邊環(huán)境情況調(diào)整，確保飛行安全。一般旁向重疊率70%，航向重疊率80%，針對石塔或斗拱、雀替、浮雕、墀頭等精細部位，采用手動或者環(huán)繞飛行的方式進行貼近攝影（如圖2所示），保證重建后的實景三維模型高清、精細。

VLX穿戴式掃描儀使用SiteMake軟件進行拼接，針對項目情況，點云模型的點間距設(shè)置為5毫米，采用“銳利”模型對點云降噪處理，最大限度地保留文物的幾何、紋理信息。

基于上述傾斜和貼近攝影測量采集多角度影像進行密集匹配聯(lián)合空三算法，生成實景高密度彩色點云，構(gòu)建并優(yōu)化不規(guī)則三角網(wǎng)，自動尋找最佳視角影像完成紋理映射，最終實現(xiàn)實景三維模型重建。得益于貼近攝影的高分辨率影像，添加貼近攝影影像的實景三維模型具有高精度、高分辨率等優(yōu)點。

三是數(shù)據(jù)檢查。在確保點云數(shù)據(jù)完整的情況下，通過橫縱向的切片，檢查點云拼接的準確性，保證點云模型沒有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，其拓撲關(guān)系應(yīng)完整、正確，不應(yīng)有漏縫、破面、共面、游離點、線、面等情況。

實景三維模型通過軟件自動濾波、人工交互編輯等方法改正自動匹配造成的誤差，確保地物表面無明顯異常、模型表面無明顯孔洞、紋理協(xié)調(diào)一致無明顯變形等。

徠卡RTC360地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集流程包括掃描站選擇與路徑規(guī)劃、設(shè)站標定與掃描、數(shù)據(jù)采集與拼接、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查等步驟。數(shù)據(jù)處理與分析流程包括點云數(shù)據(jù)精準配準、去除噪聲點、坐標轉(zhuǎn)換、濾波、特征點提取、真彩色點云制作等工作。

四是圖件繪制。不可移動文物涉及古建筑、碑刻、遺址、墓葬、石塔、近現(xiàn)代革命遺跡等，不同類型的文物對圖件成果的要求略有差別，其中建筑類最為全面?；谡娌噬S點云模型以及無人機實景三維模型，繪制測繪圖件，一般包含總平面圖、首層（標準層）平面圖、立面圖、剖面圖、典型構(gòu)件大樣圖等。

在開始圖件繪制前，首先進行多源數(shù)據(jù)融合，將多視傾斜影像密集匹配點云與激光點云統(tǒng)一空間基準，利用標定控制點對其進行糾正，減弱異源數(shù)據(jù)間的系統(tǒng)誤差影響，再進行去噪、切割處理，保留影像密集匹配點云屋面等相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)。確保點云數(shù)據(jù)的完整性和拼接準確性，能夠滿足平立剖的繪制，繪制面的結(jié)構(gòu)必須清晰可見，不存在數(shù)據(jù)漏洞、分層等現(xiàn)象。使用AutoCAD、天正建筑、CloudWorx點云插件等軟件，通過將點云模型進行不同角度和厚度的切片處理，遵循從整體到局部，先控制后細部的原則，依次繪制建筑的總平面圖、首層平面圖、剖面圖、立面圖等圖件。

在繪制平面圖的過程中，首先對距離地面約1.5米處的模型進行裁切，切片厚度約10厘米，該高度及厚度的點云切片可以清楚分辨墻板厚度、柱位、柱徑，門窗的位置和大小等結(jié)構(gòu)信息，基于該切片點云完成柱子、墻體、門窗的繪制后，將模型地面以上的房屋結(jié)構(gòu)去除，僅保留地面點云，繪制天井、臺階、鋪石等地面元素，并辨別其材質(zhì)、標高等加以標注。

一般而言，剖面圖及立面圖的繪制以平面圖作為控制尺寸進行。橫剖選擇以建筑物的中軸線進行剖切，繪制建筑的梁架及可見的室外立面，并區(qū)分遠近透視效果?？v剖選取建筑物正座正脊進行剖切。立面圖繪制則選取建筑物的正立面和保存相對完好的一個側(cè)立面進行。

典型構(gòu)件大樣圖的繪制，一般選擇雀替、斗拱、柱礎(chǔ)、垂花、漏窗、懸魚等進行，其主要關(guān)注細節(jié)描繪、尺寸控制等信息。部分作業(yè)還需要繪制屋頂平面圖，著重體現(xiàn)屋脊的分布與不同建筑單體的屋面組成，并按照排水方向示意瓦壟走向，閩地以燕尾脊居多。

五是精度評估。精度評估主要是在該作業(yè)方法與傳統(tǒng)方法之間進行。作業(yè)成果模型具有真實地理位置信息，同時具有較高且精細的可量測性，以閩清縣樟洋村文昌宮為例，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK、3″全站儀局部量測尺寸、激光測距儀人工量測尺寸及模型同部位采集尺寸，進行精度統(tǒng)計（如表1、表2所示）。

由表1、表2數(shù)據(jù)可知，與RTK檢查點數(shù)據(jù)的平面整體誤差為0.031米，高程整體誤差為0.033米，與全站儀量測數(shù)據(jù)的整體誤差為0.02米，與激光測距儀檢核的整體誤差為0.027米，完全滿足作業(yè)要求。

綜上所述，文章結(jié)合采用無人機傾斜和貼近攝影測量融合三維激光掃描技術(shù)的方法獲取不可移動文物的實景三維模型及真彩色點云模型，開展平立剖測繪的生產(chǎn)案例，闡述了多技術(shù)融合使用的優(yōu)勢，為文物保護工作的順利開展提供有力支撐，具有一定示范性，值得進一步推廣。同時，獲取的高密度三維點云、實景三維模型還可為不可移動文物后期進行保護性修繕和重建工作提供重要數(shù)據(jù)支持，為打造虛擬博物館和城市元宇宙提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。