基于實景三維的古建筑測繪建模方法探析

王新宇　張智超

摘要：目的：傳統(tǒng)的建筑三維建模方法在處理古建筑時面臨諸多限制，如范圍小、細(xì)節(jié)豐富且復(fù)雜，難以獲得高質(zhì)量的模型。因此，文章旨在探索一種新的方法來創(chuàng)建精細(xì)且逼真的古建筑三維模型，從而更好地推進(jìn)歷史建筑的維護(hù)、修復(fù)和展示工作，同時也為城市規(guī)劃和歷史文化街區(qū)的保護(hù)提供重要參考。方法：文章采用結(jié)合傾斜攝影測量和近景攝影測量的方法，利用這兩種技術(shù)的優(yōu)勢來克服傳統(tǒng)方法的局限性。傾斜攝影測量技術(shù)能夠從多個角度捕捉建筑的影像，有助于獲得更全面的視角和信息。近景攝影測量則專注于建筑的細(xì)節(jié)，能夠提供高精度的數(shù)據(jù)。結(jié)合這兩項技術(shù)，可以獲得更加全面和精確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維建模打下堅實的基礎(chǔ)。結(jié)果：通過精細(xì)的影像匹配和點云技術(shù)，成功創(chuàng)建靈巖寺辟支塔的精細(xì)三維模型。這一模型不僅精度高，而且細(xì)節(jié)豐富，完整展現(xiàn)了古建筑的特色。此外，使用先進(jìn)的軟件工具，有效優(yōu)化了建模流程，建模的效率和質(zhì)量大大提高。結(jié)論：研究證明了傾斜攝影測量和近景攝影測量相結(jié)合的方法在古建筑三維建模方面的有效性和實用性。這種方法不僅提高了模型的總體精度，還優(yōu)化了建模流程，為歷史建筑的保護(hù)、維護(hù)和展示提供了新的技術(shù)路徑。此外，該方法還可以廣泛應(yīng)用于類似的歷史文化街區(qū)規(guī)劃和保護(hù)工作中，具有重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景。通過這種技術(shù)，可以更好地保護(hù)和傳承珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，為后代留下寶貴的資源。

關(guān)鍵詞：古建筑測繪；實景三維重建；單體化建模；智能化測繪

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）05-0-05

0 引言

歷史古建筑是時代的符號、文化的沉淀，極具藝術(shù)、歷史、科研價值。歷史古建筑測繪是歷史古建筑保護(hù)和利用工作中重要的基礎(chǔ)性工作，主要是通過對歷史古建筑進(jìn)行信息采集和記錄，獲取完整的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)字建檔、模型建立以及GIS地理信息服務(wù)平臺建立等，為歷史古建筑改造、修繕、重建、合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)歷史文化街區(qū)和歷史建筑保護(hù)工作的通知》［1］，需要詳細(xì)測量和繪制山東省的古代建筑，并確保每一棟古建筑都有一份專屬的測繪記錄歸檔。這些測繪記錄不僅能夠用于建立和維護(hù)古建筑的數(shù)字化檔案，還能在古建筑遷移、重建以及修復(fù)其核心文化元素等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［2］。當(dāng)前，中國在古建筑測繪領(lǐng)域的研究還處于初級階段。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)存在一定的局限，尤其是在滿足全域、全息和全空間數(shù)據(jù)結(jié)果方面的技術(shù)需求上，傳統(tǒng)方法表現(xiàn)出明顯的不足［3］。隨著科技的不斷發(fā)展，人們對建筑信息的感知需求進(jìn)一步增加，以無人機(jī)遙感技術(shù)為代表的新一代測繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。采用尖端技術(shù)的新興測繪方法，通過在多維空中平臺上安裝激光雷達(dá)和影像傳感器，能夠主動精準(zhǔn)捕捉和記錄地表及地物的確切位置、幾何形態(tài)以及紋理細(xì)節(jié)。利用這種技術(shù)能夠有效獲取關(guān)于地表的詳盡信息，為地圖制作和地理信息系統(tǒng)提供高精度的數(shù)據(jù)支持。它以高精度定位、高動態(tài)范圍、大覆蓋范圍為主要優(yōu)勢，實現(xiàn)對海量歷史資料及文物建筑信息的高效快速采集與處理［4］。這些數(shù)據(jù)成果廣泛涵蓋多平臺的激光點云以及各類影像數(shù)據(jù)，不僅標(biāo)志著其在數(shù)據(jù)收集、數(shù)字化管理和綜合應(yīng)用方面的多功能性［5］，還證明其在多個應(yīng)用場景中具有深度利用的可能性。包括但不限于三維場景重建、高精度地圖制作和文物保護(hù)等，都深刻體現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用價值［6］。

本文基于實景三維的建設(shè)背景，針對由多種測繪方案收集的多源數(shù)據(jù)，深度洞察各種技術(shù)的特性。結(jié)合傾斜攝影測量和近景攝影測量，以及對圖像三維重建技術(shù)的運(yùn)用，為歷史建筑的三維模型構(gòu)建提供可能。

1 實景三維建模發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 政策支持

2018年3月，第十三屆全國人大第一次會議通過了有關(guān)國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革的決議，并正式批準(zhǔn)中華人民共和國自然資源部的成立［7］。隨著國家治理體系治理能力現(xiàn)代化步伐的不斷加快，數(shù)字城市已成為新時代社會發(fā)展與創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一。全國范圍內(nèi)的測繪業(yè)務(wù)逐步與“兩統(tǒng)一”自然資源管理模式的融合，對實景三維中國的構(gòu)建提出具體且迫切的需要。國家層面對于地理信息數(shù)據(jù)的更新周期不斷縮短，如何利用先進(jìn)技術(shù)加快推進(jìn)自然資源信息化建設(shè)成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。2018年4月，在執(zhí)行對海南省的行業(yè)調(diào)研期間，自然資源部部長陸昊明確指出一項要求——將自然資源的登記以及相關(guān)系統(tǒng)從目前運(yùn)用的二維框架更新轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)。施行這一措施的目的是應(yīng)對自然資源調(diào)研、產(chǎn)權(quán)確認(rèn)和國土空間規(guī)劃管理等核心問題。2019年2月，全國國土測繪工作座談會在北京召開，會上提出2020年開始“十四五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃編制的計劃，并確立構(gòu)建“實景三維中國”的目標(biāo)。2020年10月的研討會上，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)基礎(chǔ)發(fā)展、加速基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級、積極推動新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)、迅速實現(xiàn)實景三維中國的構(gòu)建以及推進(jìn)全球地理信息資源建設(shè)的重要性［8］。此外，2021年2月《自然資源部辦公廳關(guān)于印發(fā)<自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案>的通知》（自然資辦發(fā)〔2021〕21號）［9］詳細(xì)闡述了自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)、數(shù)據(jù)構(gòu)建的技術(shù)規(guī)范以及數(shù)據(jù)庫建立和整合集成的方法等關(guān)鍵要點，為構(gòu)建自然資源三維數(shù)據(jù)模型提供了技術(shù)指南，并進(jìn)一步強(qiáng)化了以高質(zhì)量自然資源管理促進(jìn)發(fā)展的工作指標(biāo)。自然資源部采取了一系列密集而有序的行動（見圖1），充分展示了其致力于構(gòu)建實景三維中國的堅定決心。實景三維中國的建設(shè)已經(jīng)變成我國測繪技術(shù)從二維向三維轉(zhuǎn)變和升級的不可避免的路徑。

1.2 古建筑智能化測繪工作方法發(fā)展歷程

隨著科技的進(jìn)步，歷史古建筑測繪從初始的手工測量法，到后期采用全站儀、測距儀、鋼尺等人工測繪工具獲取建筑測量信息的測記法。數(shù)據(jù)采集和處理雖簡單，但需消耗大量人力，且所獲成果以平面、立面和剖面圖紙為主，形式較為單一。如今，傾斜攝影測量、三維激光掃描、貼近攝影測量等新測繪技術(shù)全面發(fā)展，為歷史古建筑保護(hù)工作提供了更加機(jī)動、靈活和高效的智能化測繪手段［10］。

其中，傾斜攝影測量主要是采用無人機(jī)低空航拍獲取建筑真實影像，通過構(gòu)建實景三維模型反映建筑全貌，測量效率高；三維激光掃描是一種通過非接觸式測量即可瞬間獲取被測物體大量物理信息和幾何信息的方法，數(shù)據(jù)精度可達(dá)毫米級；貼近攝影測量技術(shù)則基于無人機(jī)集成RTK厘米級高精度定位技術(shù)，通過云臺精準(zhǔn)控制相機(jī)俯仰角和旋轉(zhuǎn)角，對非常規(guī)地面或者人工物體表面進(jìn)行貼近飛行，高效獲取厘米甚至毫米級別分辨率影像。結(jié)合以上智能化測繪技術(shù)的優(yōu)勢，能夠全方位獲取復(fù)雜歷史古建筑的測繪信息，實現(xiàn)歷史古建筑精細(xì)化、結(jié)構(gòu)化、內(nèi)外一體的高精度數(shù)字化重建。

1.3 智能化實景三維技術(shù)針對塔類古建筑測繪的優(yōu)勢

塔類建筑的建筑本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建筑高度高，周邊地形多變，環(huán)境不易控制，當(dāng)下對建筑表面色彩、圖像、紋理特點等細(xì)節(jié)特征的采集要求不斷提高，在綜合考量模型質(zhì)量、人力成本、技術(shù)難度、作業(yè)時間、作業(yè)安全等多方因素下，采用輕型無人機(jī)（見圖2）并配備相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影以構(gòu)建三維實景模型，這種方法具有很高的性價比。該方法適用多種形態(tài)的建筑，且能克服塔類建筑高度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部數(shù)據(jù)不易獲取等困難。同時，使用無人機(jī)智能化的測繪技術(shù)，操作員可免于在現(xiàn)場持續(xù)操作，可以專注于觀察采集信息質(zhì)量。最后利用傾斜攝影技術(shù)采集的影像數(shù)據(jù)，使用ContextCapture、MetashapePro等實景三維建模軟件進(jìn)行多角度有序影像的三維重建以實現(xiàn)對古建筑的三維建模，建模完成后可以依據(jù)實景修復(fù)、完善目標(biāo)模型，也可以作為數(shù)據(jù)源應(yīng)用于其他古建筑數(shù)字化項目中［11］。

2 古建筑智能化測繪工作的技術(shù)流程

2.1 前期準(zhǔn)備工作

在測繪靈巖寺的辟支塔之前，首先要對其進(jìn)行初步調(diào)查和評估，了解現(xiàn)場的基本情況和測繪的復(fù)雜性。根據(jù)前期準(zhǔn)備信息可知，靈巖寺辟支塔是一座八角九層十二檐的樓閣式磚砌建筑（見圖3），主要特點在于其有重檐，屬于密檐樓閣式建筑結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)獨(dú)此一例。辟支塔區(qū)域周邊已開發(fā)為風(fēng)景區(qū)，周邊空間狹小，一側(cè)為山地地形并有茂密植被覆蓋，不利于人工勘測，塔身較高且細(xì)節(jié)豐富，高處塔檐的觀測難度極大。前期準(zhǔn)備工作不僅能提升測繪工作的效率，還能為后續(xù)的測繪任務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 現(xiàn)場踏勘

現(xiàn)場踏勘的目的是詳細(xì)了解歷史古建筑所處位置的地形、建筑特色和現(xiàn)狀，以及古塔周邊環(huán)境。采用無人機(jī)進(jìn)行環(huán)繞飛行獲取低分辨率影像，得到歷史古建筑粗略的地形三維模型。結(jié)合單反相機(jī)拍攝辟支塔細(xì)部特色（見圖4），全面了解歷史古建筑的現(xiàn)狀和采集建模難度。

2.3 方案制定與數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)階段數(shù)據(jù)采集方法主要分為無人機(jī)貼近攝影測量、架站式激光掃描測量。

無人機(jī)貼近攝影測量以無人機(jī)搭載P1單鏡頭相機(jī)進(jìn)行貼近攝影測量數(shù)據(jù)采集（見圖5）?；跍y區(qū)踏勘時期獲得的粗略地形三維模型進(jìn)行航線設(shè)計，以保證無人機(jī)貼近飛行的安全性和成果精度。航線主要包括塔身環(huán)繞貼近，山墻、屋脊立面等貼近敷設(shè)。在保證飛行安全的情況下，無人機(jī)航線至建筑物貼近距離最小可達(dá)5米。

2.4 高精度模型生成

采用三維建模軟件對環(huán)繞、立面等貼近拍攝的影像進(jìn)行自動、快速實景三維建模，結(jié)合Agisoft MetashapePro軟件進(jìn)行局部編輯及優(yōu)化，完成對辟支塔三維模型精細(xì)化修飾。

2.4.1 對齊照片

在對齊照片的過程中，首先依據(jù)各點之間的相對位置來確定相機(jī)的拍攝地點和基本矩陣，接著根據(jù)特征點的確切位置來調(diào)整相機(jī)的位置，并據(jù)此產(chǎn)生稀疏的點云信息。在MetashapePro的“工作流程”部分，選擇“對齊照片”選項，并根據(jù)用戶的具體需求，選擇對齊照片的輸出品質(zhì)（見圖6）。

2.4.2 調(diào)整建模區(qū)域

在進(jìn)行照片對齊的過程中，軟件會進(jìn)行匹配以生成點云，因此生成的稀疏點云區(qū)域相對較大。利用建模初期獲得的稀疏點云，在Metashape操作欄中選擇“調(diào)整區(qū)域大小”，通過軌跡球調(diào)整建模區(qū)域核心位置。為了保證模型能夠滿足實際生產(chǎn)需求，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)建模區(qū)域的寬度與高度，本文基于特征識別算法來快速精確地定位與重建密集點陣模型。在接下來的模型構(gòu)建階段，僅專注于處理模型區(qū)內(nèi)的點云數(shù)據(jù)，以確保生成的高密度點云主要集中在關(guān)鍵區(qū)域，避免由于區(qū)域過大或未生成高密度點云而導(dǎo)致建模時間延長的問題?？蜻x更精確的區(qū)域可以對重點區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立渲染，框選區(qū)域越大，則耗時越長（見圖7）。

2.4.3 生成密集點云

在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)和紋理生成過程中，主要依賴密集點云數(shù)據(jù)。這些密集的點云為后續(xù)模型的構(gòu)建提供了堅實的基礎(chǔ)。因此，為了確保模型紋理的清晰度、結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和較高的精度，在構(gòu)建密集點云時，必須確保點云的準(zhǔn)確性和清晰度。在創(chuàng)建高密度的點云模型時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)模型重構(gòu)所需的實際成果和精確度標(biāo)準(zhǔn)來挑選合適的質(zhì)量選項。由于生成密集點云是模型重構(gòu)過程中最耗時的步驟，即便兩種參數(shù)生成的結(jié)果相似，所需的時間可能也會有很大的差異，因此應(yīng)選擇建模時間較短的參數(shù)來生成密集點云（見圖8）。

2.4.4 生成含紋理模型

在密集點云的基礎(chǔ)上生成渲染模型，同時生成網(wǎng)格和紋理，在MetashapePro“工作流程”中選擇“建立瓦片模型（Build Tiled Model）”，并根據(jù)所需要精度的貼片質(zhì)量，貼片質(zhì)量越高則模型細(xì)節(jié)越多，反之模型細(xì)節(jié)越少。相比傳統(tǒng)建模方法，其可以在節(jié)約大量時間的基礎(chǔ)上獲得材質(zhì)更還原的模型（見圖9）。

2.4.5 歷史古建筑數(shù)字化測繪圖制作

歷史古建筑數(shù)字化測繪圖包括平面圖、立面圖、剖面圖以及詳圖等，可以基于無人機(jī)貼近攝影測量技術(shù)構(gòu)建的建筑精細(xì)化實景三維模型和貼近攝影測量與激光掃描融合的點云模型，進(jìn)行抽稀、點云正射、切片處理后直接繪制（見圖10、圖11）。

采用傳統(tǒng)的測繪技術(shù)手段測繪歷史古建筑，其效率、精度以及取得的數(shù)據(jù)成果難以滿足新時期測繪地理信息行業(yè)對歷史古建筑精細(xì)化重建的需求?？紤]到歷史古建筑的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特性，綜合應(yīng)用傾斜攝影、貼近攝影測量和輔助的三維激光掃描測量技術(shù)，可以獲取建筑室內(nèi)外毫米級精度的測量數(shù)據(jù)，同時彌補(bǔ)辟支塔頂部細(xì)節(jié)及高處缺失的點云，為歷史古建筑測繪和保護(hù)提供精細(xì)化的數(shù)據(jù)保障。

3 結(jié)語

本文以濟(jì)南市靈巖寺辟支塔為例，采用影像匹配點云和激光點云融合后構(gòu)建建筑物精細(xì)模型的方法，探索傾斜攝影與照片三維重建技術(shù)的優(yōu)勢，并細(xì)致優(yōu)化建模過程，這不僅提高了部件級別精細(xì)模型的整體精確度，還為古建筑提供了結(jié)構(gòu)化和語義化的描述。

鑒于山東省歷史建筑的地理位置和其獨(dú)有的特點，采納了多種前沿的技術(shù)手段，為山東省歷史建筑的數(shù)字化檔案建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。除此之外，也對歷史建筑測繪的標(biāo)準(zhǔn)和成果的歸檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的研究。建立完善的數(shù)字檔案系統(tǒng)，能使歷史文化遺產(chǎn)得到有效管理，并最終實現(xiàn)“以空間位置作為唯一依據(jù)”的信息查詢方式。該項目的成功實施將為未來歷史建筑的測繪，以及與之類似的歷史文化區(qū)域的規(guī)劃和保護(hù)測繪提供寶貴的參考。

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作者簡介：王新宇（1999—），男，山東青島人，碩士在讀，研究方向：建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)。

張智超（1998—），女，山東濟(jì)南人，碩士在讀，研究方

向：建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)。