□付力

衛(wèi)輝望京樓位于河南省衛(wèi)輝市汲水鎮(zhèn)望京樓后街，于明萬歷十九年(1591年)動(dòng)工，明萬歷二十一年(1593年)竣工，迄今已有四百余年的歷史。望京樓平面呈長(zhǎng)方形，坐北朝南，磚石結(jié)構(gòu)。高33米，寬30米，進(jìn)深19米，共分兩層。外壁用青石砌筑，內(nèi)壁用白石鑲筑，外壁中間有白石腰檐。第一層?xùn)|、西、北三面共有四窗，為券頂，青石窗欞殘跡尚存。在東南、西南角各辟一石券門，青石門框，由兩門青石踏步可登至第一層樓。一層建十字拱券，四面辟門，高大寬敞。每券門上有兩道木欄桿槽，下有一道石欄桿槽。北券有四門，均為青石門框。由東、西兩門沿青石踏步可登至第二層樓。第二層原有五間歇山式大殿，名曰崇本書樓，是供父子藏書和習(xí)書畫的宮室。崇本書樓已毀，大殿柱礎(chǔ)尚存。大殿前、左、右有回廊，殿后有兩個(gè)小門。

望京樓形體高大，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，內(nèi)磚外石，砌筑工整，設(shè)計(jì)科學(xué)。望京樓是我國(guó)目前保存規(guī)模最大，設(shè)計(jì)科學(xué)的無梁殿建筑之一。2006年，國(guó)務(wù)院將其公布為第六批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

一、將數(shù)字測(cè)繪方法引入建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作的必要性

古建筑測(cè)繪在建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作中具有重要意義，古建筑測(cè)繪是保護(hù)、發(fā)掘、整理和利用古代建筑遺產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，同時(shí)又為建筑歷史與理論研究、建筑史教學(xué)提供翔實(shí)的基礎(chǔ)資料。文化遺產(chǎn)的數(shù)字測(cè)量方法很早就已在可移動(dòng)文物的保護(hù)領(lǐng)域得到應(yīng)用，不可移動(dòng)文物尤其是建筑遺產(chǎn)的保護(hù)因其體量大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，數(shù)字測(cè)繪方法引入較晚。

（一）建筑遺產(chǎn)測(cè)繪精度的需要

傳統(tǒng)的利用卷尺、鉛錘、測(cè)距儀等工具進(jìn)行手工測(cè)繪的方法，雖然也能對(duì)一處建筑遺產(chǎn)進(jìn)行較為詳細(xì)的測(cè)繪，但是這種方法存在著很多不確定因素。首先，測(cè)繪人員的測(cè)繪水平和工作經(jīng)驗(yàn)各不相同，在數(shù)據(jù)測(cè)量和測(cè)稿繪制等過程中就會(huì)對(duì)測(cè)繪的精度產(chǎn)生影響。其次，在一些受環(huán)境影響測(cè)繪人員無法到達(dá)的位置，或是空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜測(cè)繪人員無法接觸到的建筑構(gòu)件，傳統(tǒng)的測(cè)繪方法是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照片對(duì)結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行推斷或者估算，在這種情況下，測(cè)繪的精度就更加難以保證。

（二）建筑遺產(chǎn)信息資料數(shù)字化保存的需要

數(shù)字測(cè)繪方法可以將建筑遺產(chǎn)的各種信息資料最大限度地采集并保留下來，同時(shí)數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)信息的傳播和共享提供了便利，也為數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究提供了更多可能，數(shù)字信息時(shí)代的文物保護(hù)工作需要建立現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用體系。以傳統(tǒng)的文物保護(hù)單位四有檔案為例，以往文檔、圖片的存儲(chǔ)方式，已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下文化遺產(chǎn)保護(hù)和研究的需要。較低的信息數(shù)字化水平和非數(shù)字化的信息在數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享方面存在很大限制，部分?jǐn)?shù)字化信息格式混亂，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

（三）為文物保護(hù)工程提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持

傳統(tǒng)的人工加卷尺的測(cè)繪方法在多種類型的建筑遺產(chǎn)和復(fù)雜多變的遺產(chǎn)環(huán)境面前顯得力不從心，測(cè)繪效率不高的同時(shí)，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也存在不確定性。隨著我國(guó)文物保護(hù)事業(yè)的發(fā)展和遺產(chǎn)保護(hù)水平的不斷提高，今后的文物保護(hù)工程更需要嚴(yán)謹(jǐn)和詳細(xì)的信息數(shù)據(jù)作為技術(shù)支持。

二、衛(wèi)輝望京樓的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作

（一）建筑外立面的測(cè)繪工作

1.數(shù)字測(cè)繪手段選擇

衛(wèi)輝望京樓是全國(guó)保存最完整、規(guī)模最大、設(shè)計(jì)科學(xué)的一座高臺(tái)無梁石構(gòu)殿建筑。望京樓形體高大，建筑外墻用青石砌筑，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。由于多年來風(fēng)雨的侵蝕，植物的根劈作用以及局部石塊的損壞、掉落引起的連鎖反應(yīng)，樓體外壁石砌石料大量剝落，并且樓體還出現(xiàn)多處脹鼓和開裂，植物生長(zhǎng)較為茂盛。根據(jù)上述情況，傳統(tǒng)的建筑立面線畫圖無法真實(shí)地還原建筑本體的病害和殘損情況。望京樓周邊多為一層平房，無高大建筑，可對(duì)樓體采集立面正射影像圖。所以我們選用無人機(jī)攜帶高清相機(jī)對(duì)樓體外立面運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集圖像，后期通過三維建模來獲取樓體的各個(gè)立面的正攝影像圖。

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)，該技術(shù)通過從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集影像數(shù)據(jù)，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，而且還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維城市模型。

2.外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)布設(shè)是傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵工作，直接關(guān)系到最終測(cè)繪成果的精度是否滿足測(cè)繪要求。利用全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，便于后期數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一管理，本次控制點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)為局部工程坐標(biāo)，北方向?yàn)檎狈较?。首先利用全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)（圖1），布設(shè)6個(gè)控制點(diǎn)（表1）：

同時(shí)再布設(shè)10個(gè)像控點(diǎn)（圖2），標(biāo)靶選用10厘米×10厘米的黑白標(biāo)靶，使用全站儀對(duì)靶心進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，用于傾斜攝影測(cè)量影像處理三維精度的控制。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)

圖1 使用全站儀進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)

圖4 無人機(jī)傾斜攝影POS數(shù)據(jù)

3.無人機(jī)傾斜攝影影像采集

由于本次數(shù)據(jù)采集要求精度誤差在5厘米以內(nèi)，必須使用高成像質(zhì)量相機(jī)貼近樓體飛行進(jìn)行傾斜攝影作業(yè)。小型便攜式無人機(jī)雖然小巧方便可以更加貼近望京樓樓體進(jìn)行采集，但是受體積和重量的限制無法攜帶成像素質(zhì)更高的相機(jī)設(shè)備。所以此次飛行選用DJI S1000八旋翼無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，最大起飛重量11公斤，攜帶兩部索尼A6000型數(shù)碼相機(jī)，單部相機(jī)為2430萬有效像素。（圖3）由于飛行器較重且體積大，又要貼近樓體飛行，在保證飛行安全的前提下，為提高作業(yè)效率，兩部相機(jī)設(shè)置為15°夾角同時(shí)進(jìn)行影像采集。采用垂直航線飛行，使每條航線保證75%的航向重疊率，使每?jī)蓷l航線之間保證60%的旁向重疊率。（圖4）采集完畢后檢查照片曝光是否正確，像控點(diǎn)在照片中是否清晰，如有問題，立即進(jìn)行補(bǔ)充采集，對(duì)于無法從空中獲取影像的區(qū)域使用地面人工的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。

（二）衛(wèi)輝望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)繪

1.數(shù)字測(cè)繪方法選擇

望京樓內(nèi)壁用白石鑲筑，白石密度低，自身荷載小，且美觀大方，是理想的裝飾材料，但其耐候性較差，受環(huán)境不利因素影響較大。由于年久失修，二樓頂面長(zhǎng)期滲水，持續(xù)的水巖作用導(dǎo)致白石軟化、巖溶掏蝕，失水固結(jié)又導(dǎo)致干裂破壞，特別是角柱的風(fēng)化致使石券的應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)券石松動(dòng)、龍口下沉、過河撞券移位的現(xiàn)象。望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是樓體通道等地方光線昏暗不適用攝影測(cè)量方法。

2.三維激光掃描儀掃測(cè)

我們選用三維激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云信息采集，完整記錄望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何信息。（圖5）掃描前應(yīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)掃描站點(diǎn)，站點(diǎn)設(shè)置要求分布均勻，盡量減少掃描死角。掃描時(shí)根據(jù)掃描儀到目標(biāo)的距離設(shè)置水平和垂直分辨率，使得掃描結(jié)果均勻。對(duì)于重要的目標(biāo)，可設(shè)置更高的分辨率進(jìn)行細(xì)掃。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，檢查掃描數(shù)據(jù)是否完整，是否有遺漏或錯(cuò)誤，及時(shí)補(bǔ)充采集數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，對(duì)外部無人機(jī)拍攝死角進(jìn)行補(bǔ)充掃描（圖6），對(duì)缺失的點(diǎn)云進(jìn)行補(bǔ)充。

圖5 三維激光掃描儀掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 使用激光掃描儀對(duì)無人機(jī)拍攝死角進(jìn)行補(bǔ)充掃描

（三）對(duì)崇本書樓基礎(chǔ)及誠(chéng)意坊的測(cè)繪

望京樓頂崇本書樓已毀，大殿基礎(chǔ)及柱礎(chǔ)尚存。存在的主要問題為青磚大面積脫落、基礎(chǔ)掏蝕、白灰風(fēng)化、基礎(chǔ)下沉導(dǎo)致的開裂、植被破壞、頂面積水等。崇本書樓基礎(chǔ)前的誠(chéng)意坊，平面呈“一”字形，為青石結(jié)構(gòu)建筑，以四柱三樓四間頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式組成，具有建筑、繪畫、書法、雕刻等價(jià)值，存在雕像殘缺、裂隙、不當(dāng)修復(fù)等問題，其中明樓部分存在較為嚴(yán)重地歪閃。

對(duì)崇本書樓基礎(chǔ)的測(cè)繪在無人機(jī)對(duì)望京樓外立面進(jìn)行傾斜攝影采集中已經(jīng)基本完成，但臺(tái)基下部存在大量基礎(chǔ)掏蝕現(xiàn)象，使用三維激光掃描儀對(duì)病害部位進(jìn)行補(bǔ)充掃測(cè)。

誠(chéng)意坊位于望京樓頂部南側(cè)邊緣，其建筑構(gòu)件上保存有較多的石刻雕像，具有較高的藝術(shù)價(jià)值，所以我們使用三維激光掃描儀對(duì)誠(chéng)意坊北面進(jìn)行加密精細(xì)掃描，最大限度地記錄建筑構(gòu)件上的雕刻信息。但誠(chéng)意坊南面緊鄰?fù)潜倔w邊緣，沒有架設(shè)掃描儀的空間，只能使用無人機(jī)攜帶高清相機(jī)對(duì)誠(chéng)意坊南面進(jìn)行局部精細(xì)拍攝。

三、采集數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理工作及成果

（一）無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作成果

本次無人機(jī)共采集22.6G原始影像數(shù)據(jù)，將無人機(jī)影像導(dǎo)入Agisoft Photoscan軟件，經(jīng)過“對(duì)齊照片”“生成密集點(diǎn)云”“生成網(wǎng)格”“生成紋理”“錄入控制點(diǎn)坐標(biāo)”等步驟完成模型的重建?？蓪?dǎo)出密集點(diǎn)云，三角網(wǎng)模型和各個(gè)方向的正射影像圖。

傾斜攝影三維建模工作流程：

利用布設(shè)的控制點(diǎn)進(jìn)行平差處理，得到的精度誤差檢測(cè)，如（表2）：

表2 測(cè)量精度檢查表

圖7 衛(wèi)輝望京樓無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建三維模型

圖8 衛(wèi)輝望京樓立面正射影像圖

圖9 望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)

經(jīng)檢測(cè)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量各項(xiàng)誤差均滿足小于5厘米的誤差精度要求。

在Agisoft Photoscan軟件中生成三維模型后（圖7），通過定義各角度視圖，導(dǎo)出超高分辨率的樓體外立面正射影像圖 （圖8）。這種方法獲取的立面正射影像圖，比起普通相機(jī)拍攝的立面圖，消除透視關(guān)系完全正視，所有景物完全清晰不受焦點(diǎn)景深的影響且像素分辨率更高，建筑本體所有病害、殘損全部清晰展現(xiàn)出來。獲取的模型可進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，更加便于現(xiàn)狀殘損、病害的量化統(tǒng)計(jì)。

（二）三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理及成果

三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程，首先將點(diǎn)云進(jìn)行過濾除噪，后期處理軟件可自動(dòng)識(shí)別并刪除一些離散點(diǎn)、噪聲點(diǎn)。對(duì)于其他的雜物及遮擋物，如人、汽車、腳手架等需要人工手動(dòng)刪除。將每一站掃描儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，獲得望京樓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（圖9）自動(dòng)或手動(dòng)搜索參考物，如參考標(biāo)靶、靶球、像控點(diǎn)等，將掃描點(diǎn)云拼接成為一個(gè)整體 （圖10），并根據(jù)誤差數(shù)據(jù)調(diào)整拼接。點(diǎn)云配色，激光掃描原理得到的只是點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和激光反射強(qiáng)度信息，若在采集點(diǎn)云的同時(shí)采集了影像信息（內(nèi)置相機(jī)或外置相機(jī)），可對(duì)采集了色彩信息（RGB）的站點(diǎn)應(yīng)用顏色。最后將關(guān)鍵點(diǎn)云區(qū)塊或整體點(diǎn)云導(dǎo)出成通用格式模型，我們獲取了望京樓內(nèi)部完整的構(gòu)造模型。（圖11）獲取的數(shù)據(jù)成果還可以進(jìn)一步研究，如進(jìn)行輪廓線提?。▓D12）等工作。

圖10 點(diǎn)云配準(zhǔn)后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖11 導(dǎo)出望京樓內(nèi)部構(gòu)造模型

圖12 三維模型平面及立面輪廓線提取

四、結(jié)語

此次望京樓數(shù)字測(cè)繪工作由3人耗時(shí)1天完成，無人機(jī)共采集22.6G原始影像數(shù)據(jù)，三維激光掃描儀共架站43站，采集原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)6.22G，測(cè)繪獲得的成果及精度完全滿足工作要求。事實(shí)證明，此次工作選擇的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描兩種數(shù)字測(cè)繪技術(shù)，精確、高效地完成了衛(wèi)輝望京樓的測(cè)繪工作。其中無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與自動(dòng)三維建模技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的手工建模，展現(xiàn)出數(shù)據(jù)精確全面、工作效率高、模型紋理真實(shí)等特點(diǎn)。將大量傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)繪工作以數(shù)字化模型的方式轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)進(jìn)行。三維激光掃描技術(shù)則將望京樓內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以點(diǎn)云方式完整記錄下來，便于后期的深入研究。本項(xiàng)目取得的數(shù)字化成果，為衛(wèi)輝望京樓數(shù)字檔案建設(shè)、本體維修評(píng)估、建筑遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)等方面奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。