復(fù)雜結(jié)構(gòu)歷史建筑測繪建檔的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：贛州歷史建筑風格以以挑檐、斗拱、翹角、飛檐、吊腳為主要特點，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測繪難度大。通過對贛州市中心城區(qū)范圍內(nèi)公布的歷史建筑測繪建檔工作探索利用無人機傾斜攝影技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、全景相機拍攝制作VR技術(shù)等多種手段融合來完成歷史建筑建檔工作，最后通過對三維模型精度驗證了此方法可行，在文物保護、歷史建筑復(fù)建和核心價值要素復(fù)原修繕等方面的測繪值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：歷史建筑測繪建檔三維數(shù)字化文物保護

ResearchonKeyTechnologiesofSurveyingandMappingandFilingofComplexStructureHistoricalBuildings

WANGWeizhen

NuclearIndustryGanzhouGeotechnechInvestigationandDesignGroupCo.，Ltd.，Ganzhou，JiangxiProvince，341000China

Abstract：Ganzhou'shistoricalarchitecturestyleischaracterizedbyoverhangingeaves，archofwoodenarchitecture，warpingcorners，cornicesandhangingfeet，whichiscomplexinstructureanddifficultinsurveying andmapping.ThroughexploringthesurveyingandmappingandfilingofhistoricbuildingswithinthecentralurbanareaofGanzhouCity，variousmethodssuchasUAVobliquephotographytechnology，3Dlaserscanningtechnology，panoramiccamerashootingandproductionVRtechnologyarentegratedtocompletethefilingofhistoricalbuildings.Finally，thefeasibilityofthismethodisverifiedbytheaccuracyofthe3Dmodel，anditisworthpromotingandapplyinginthesurveying andmappingofculturalrelicsprotection，restorationofhistoricalbuildingsandrestorationandrepairofcorevalueelements.

KeyWords：Surveyingandmappingofhistoricalbuildings;Filing;3Ddigitization;Culturalrelicsprotection

為貫徹落實習(xí)近平總書記視察廣州市恩寧路歷史文化街區(qū)的重要講話精神和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的相關(guān)政策，更好地保護城鄉(xiāng)歷史文化遺存，促進高質(zhì)量發(fā)展，要求在2021年底前完成歷史建筑數(shù)據(jù)測繪收集入庫，并與住房城鄉(xiāng)建設(shè)部數(shù)據(jù)庫完成聯(lián)網(wǎng)對接。贛州市對中心城區(qū)范圍內(nèi)的歷史建筑開展測繪建檔工作，其涉及工程領(lǐng)域多、地域覆蓋范圍廣、地理環(huán)境復(fù)雜、建筑風格獨特。因此，通過液壓升降云臺搭載三維激光掃描儀法如FAROFocus/TrimbleTX5等采集三維激光點云數(shù)據(jù)，利用大疆精靈PHANTOM4RTK無人機傾斜攝影測量獲取航飛正射影像及傾斜模型，利用Insta360Pro2全景相機拍攝獲取全景視頻和專業(yè)相機索尼Alpha7RIII相機拍攝室內(nèi)外細部照片獲取影像數(shù)據(jù)等多種設(shè)備、多種技術(shù)手段完成工作，確保獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量及其完整性。

1項目概述

本次測繪對象為歷史建筑，因部分建筑年久失修，存在腐朽、坍塌等現(xiàn)象，故在本次作業(yè)過程中須注意人員與儀器的安全問題，在測繪之前，應(yīng)及時對被測建筑的現(xiàn)實狀況摸底排查，保證測繪人員與儀器的安全問題。此外，由于地形環(huán)境復(fù)雜多變，地面站三維激光掃描儀一般架設(shè)在地面上，對于高處的屋頂，被樹木和建構(gòu)筑物遮擋的特征點、面等，由于不通視也給測繪工作造成較大困難。在實際作業(yè)過程中，對于多種不確定因素影響，靈活使用傾斜攝影測量、三維激光掃描和全景相機拍攝等方法相結(jié)合采集數(shù)據(jù)，對歷史建筑的逐個完整測繪。

2歷史建筑模型建立方法

2.1技術(shù)路線

本項目采用無人機傾斜攝影測量拍攝多角度影像數(shù)據(jù)、三維激光掃描采集點云數(shù)據(jù)和高分辨全景相機及工業(yè)相機系統(tǒng)拍攝構(gòu)件特殊細節(jié)影像等技術(shù)手段獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)軟件分別處理并融合來制作實景三維模型、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字線劃圖、點云模型、數(shù)字線畫圖、3DMAX模型、室內(nèi)VR模型等成果。

2.2地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)獲取

2.2.1點云數(shù)據(jù)要求

本項目測繪等級為一級，精度要求為≤2@25，設(shè)備選用高精度地面站式三維激光掃描儀FAROFocusS150（測距誤差：±1mm）對贛州市中心城區(qū)歷史建筑室內(nèi)外進行逐測站、全面的三維激光掃描點云采集，通過三維點云的實景復(fù)制技術(shù)，將單棟歷史建筑的空間屬性、結(jié)構(gòu)特征用上億個點真實地還原，從而獲取歷史建筑的數(shù)字化資料。

2.2.2點云數(shù)據(jù)采集

（1）掃描站布設(shè)。掃描站應(yīng)設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的安全區(qū)域；掃描站掃描范圍應(yīng)覆蓋整個掃描建筑物，均勻布設(shè)，且設(shè)站數(shù)目盡量減少；建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通視困難、遮擋嚴重等情況應(yīng)增加掃描站；必要時宜搭設(shè)平臺架設(shè)掃描站[1]。

（2）靶標布設(shè)。標靶應(yīng)在掃描范圍內(nèi)通視性高的位置均勻布置，標靶之間應(yīng)高低錯落；掃描環(huán)境光線較暗時應(yīng)使用標靶球布設(shè)；利用標靶進行測站配準時，每一掃描站的標靶個數(shù)應(yīng)不少于4個，相鄰兩掃描站的公共標靶個數(shù)應(yīng)不少于3個；利用標靶進行坐標系轉(zhuǎn)換時，應(yīng)圍繞整個建筑物均勻布設(shè)標靶，且標靶個數(shù)應(yīng)不少于4個。

（3）掃描要求。測量標靶三維坐標時，應(yīng)在同一控制點上至少觀測兩回，或在不同控制點上施測兩次，平面、高程較差應(yīng)不大于2cm，取平均值作為最終成果；彩色掃描布設(shè)掃描站點應(yīng)滿足相鄰掃描站點間有效點云的重疊度不低于30%，困難區(qū)域不低于15%的要求[2]。

2.2.3點云數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。點云數(shù)據(jù)在獲取過程中，由于設(shè)備精度、環(huán)境干擾以及物體表面的復(fù)雜性等因素，不可避免地會引入數(shù)據(jù)誤差。特別是在尖銳邊和邊界附近的測量數(shù)據(jù)，以及可能存在的壞點，它們都可能對后續(xù)的曲面重建或模型分析造成不良影響。因此，對原始點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理是至關(guān)重要的。

（2）去掉噪聲點。噪聲點可能是由于掃描設(shè)備的誤差、環(huán)境干擾或物體表面的異常導(dǎo)致的。為了去除這些噪聲點，一種常用的方法是將點云數(shù)據(jù)以圖形形式顯示在終端上，通過視覺檢查來識別并手動刪除明顯的噪聲點。此外，也可以生成曲線或曲面來輔助識別噪聲點，并使用半交互半自動的光順方法進行調(diào)整。

（3）數(shù)據(jù)平滑。數(shù)據(jù)平滑旨在消除點云中的小波動和噪聲，以獲得更平滑、更精確的模型，并提高特征提取的效果。在平滑處理過程中，應(yīng)盡量避免過度平滑導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，因此，應(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。常用的平滑方法包括高斯濾波、移動平均濾波和中值濾波等[3]。

（4）拼接與配準。將多個點云數(shù)據(jù)進行拼接，形成一個整體的模型，即將不同坐標系下的點云數(shù)據(jù)進行對齊，使其在同一坐標系下重疊。

（5）特征提取與建模。從處理的點云數(shù)據(jù)中提取特征，如地物的邊緣、角落等，然后根據(jù)這些特征進行地物建模。

（6）紋理映射。將實地的紋理信息（如顏色）映射到三維模型上，增加模型的真實感。

（7）數(shù)據(jù)輸出。最終將處理好的點云數(shù)據(jù)和三維模型以不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

2.3傾斜攝影實景三維建模

根據(jù)本項目的技術(shù)要求和測區(qū)地形條件，采用大疆精靈4RTK多旋翼機，實現(xiàn)范圍內(nèi)優(yōu)于0.05m地面分辨率傾斜攝影，獲取高分辨率傾斜航空影像，制作實景三維模型。

因掃描場景限制，對于三維激光點云未能密集捕獲到的屋頂、檐口等結(jié)構(gòu)，采用傾斜攝影測量技術(shù)對建筑部分區(qū)域進行傾斜實景三維建模。

通過無人機數(shù)字航空攝影獲取測區(qū)的高分辨率航空影像，野外實測一定數(shù)量的地面控制點進行空中三角測量獲取航空影像精確外方位元素，建立立體模型，利用影像匹配技術(shù)生成數(shù)字表面模型，對航空影像進行微分糾正和映射紋理，生成真三維模型，再通過專業(yè)模型處理軟件對生成的實景模型進行精修。

2.4全景拍攝及VR模型制作

Insta360Pro2可拍攝8K3D@30fps全景視頻，并支持錄HDR視頻；搭載FlowState超強防抖；配備Farsight圖傳系統(tǒng)，可實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)控；與Adobe合作推出的免拼接插件使后期工作流大幅簡化[4]。并使用Insta360Stitcher軟件對歷史建筑實施后期的全景漫游拼接，從而輔助后期繪圖工作以及建筑模型的建模色彩渲染，以便模型更加接近現(xiàn)狀的色彩，利用高清3D相機獲取歷史建筑的室內(nèi)現(xiàn)狀高清照片，通過圖形重建室內(nèi)VR實景模型，真實表現(xiàn)建筑現(xiàn)狀，滿足歷史建筑的宣傳和展示（如圖1所示）。

2.5根據(jù)點云繪制平、立、剖面圖

2.5.1點云格式轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有的大多數(shù)點云處理軟件通常可以支持導(dǎo)出點云的通用格式，即文件名后綴為.pts、.las、.xyz等通用點云格式文件。該點云文件可在不同的點云處理軟件中讀取應(yīng)用，進行測站拼接、裁剪、測量等應(yīng)用。在AutoCAD2018平臺內(nèi)，系統(tǒng)的繪制建筑平、立、剖面圖前，需要進行點云格式轉(zhuǎn)換，即在AutodeskRecap軟件中將各測站點云通用格式文件轉(zhuǎn)換為AutoCAD2018可附著的點云格式：后綴名為.rcs的點云文件，并生成可指向各測站點云文件的點云投影文件，即.rcp文件。轉(zhuǎn)換后的點云文件大小得到了明顯壓縮，且在Autodesk系列軟件中能流暢的進行瀏覽、裁剪等應(yīng)用，從而達到繪制平、立、剖面圖的參考作用。下圖是利用AutodeskRecap平臺將各測站點云.pts文件格式轉(zhuǎn)換為.rcs文件[5]。

2.5.2繪制平、立、剖面圖

在繪制平、立、剖面圖時，應(yīng)參考點云按照各外立面、各層平面、剖面的順序依次進行繪制，注意建筑門、窗、臺階、裝修等結(jié)構(gòu)在各個圖紙上相應(yīng)的位置、大小表達應(yīng)一致。

（1）立面點云參照。

繪制外立面圖時，需要在建筑俯視圖視角選取自墻中軸線向建筑外部裁取外立面點云，如在同一視角存在前后遞進關(guān)系時，需進行多次裁剪，并根據(jù)每次裁剪后的點云繪制外立面。

（2）平面點云參照。

繪制平面圖時，需要在建筑正視圖視角裁取各層點云，以建筑各層地面到上層樓板為縱向裁剪寬度，裁取后的點云應(yīng)覆蓋到建筑各層全部構(gòu)建，如梁、柱、樓梯、臺階等，當室內(nèi)裝修配置存在垂直關(guān)系難于分辨時，可對各層點云分段進行裁剪。

（3）剖面點云參照。

繪制剖面圖時，需要在建筑正視圖視角裁取各層點云，一般都是垂直剖面，其剖切位置的選擇確實需要根據(jù)圖紙的用途和設(shè)計深度來確定。在平面圖上選擇剖切位置時，應(yīng)確保能夠全面展示建筑物的全貌和構(gòu)造特點，樓梯處是最常見的剖切位置。

在具體選擇上，剖面應(yīng)剖在層高、層數(shù)不同、內(nèi)外空間比較復(fù)雜的部位，這些位置通常是建筑物結(jié)構(gòu)變化和空間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵節(jié)點，通過剖切這些部位，可以更加清晰地展示建筑物的構(gòu)造特點和空間布局。此外，如果房屋的局部構(gòu)造有變化，如墻體厚度、樓層高度、結(jié)構(gòu)形式等方面的變化，還需要作局部剖面圖來詳細展示這些變化。

（4）根據(jù)點云繪制建筑圖紙。

在三維建模繪圖界面，視圖坐標系轉(zhuǎn)正后，即可依靠參照點云利用多段線、樣條曲線、矩形等繪圖工具進行建筑圖紙繪制。注意對建筑表面具有前后關(guān)系的層級結(jié)構(gòu)、色彩變化處應(yīng)以多段線方式做位置標注。

3精度質(zhì)量驗證

利用無人機傾斜攝影采集數(shù)據(jù)來補充和完善初步建立的點云模型，并最終形成歷史建筑的三維模型，同時驗證該模型的精度。為驗證模型數(shù)學(xué)精度，特選擇典型測繪案例一處，在建筑室內(nèi)外選擇明顯特征點設(shè)置標靶，并編號。使用高精度全站儀對標靶進行三維坐標測量，記錄測量數(shù)據(jù)，對比三維模型與全站儀數(shù)據(jù)，得出中誤差。

點云的數(shù)據(jù)精確性會以誤差報告的形式體現(xiàn)最終測量站點的精度，以本文案例為例，通過點云拼接的方式，拼接的最大偏差3mm，屋頂融合無人機的數(shù)據(jù)偏差在1～3cm.直接的誤差報告顯示案例建筑點云數(shù)據(jù)完好，可以保障后續(xù)制圖與建模的需求。在項目實施過程中提供電子版或紙質(zhì)版測量偏差報告。

4結(jié)語

歷史建筑測繪建檔成果數(shù)據(jù)對進一步研究相關(guān)歷史建筑的歷史環(huán)境和演變過程具有重要意義，同時這些測繪成果數(shù)據(jù)還為歷史文化名城規(guī)劃編制的開展奠定了堅實基礎(chǔ)。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)歷史建筑測繪建檔工作中，傾斜攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和全景相機VR制作技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些技術(shù)以其高效、精確的特點，能夠快速、完整地獲取歷史建筑的三維點云建模，從而直觀展現(xiàn)建筑復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精細的局部構(gòu)件。

參考文獻：

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[3]喬琳茹.歷史建筑測繪在北京古建筑保護中的應(yīng)用[J].北京測繪，2022，36（11）：1587-1593.

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[5]張軒，林新峰，林宏劍，等.現(xiàn)代測繪技術(shù)用于歷史建筑建檔探析：以臺州市“武圣廟”為例[J].城鄉(xiāng)建設(shè)，2022（5）：60-63.