吳邵明

(大同市勘察測(cè)繪院，山西 大同 037000)

1 引 言

城市，是人類(lèi)文明的結(jié)晶。名城，是承載優(yōu)秀的地域文化和民族文化的城市。歷史文化名城，則是我國(guó)古代政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化的中心，凝結(jié)著華夏五千年的光輝燦爛文化和文明，是中華民族的魂與根。大同是中國(guó)首批24個(gè)國(guó)家歷史文化名城之一，中國(guó)九大古都之一，中國(guó)優(yōu)秀旅游城市，山西省第二大旅游城市。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大同傳統(tǒng)民居建筑正在面臨損毀甚至湮滅的威脅，如何保存現(xiàn)有民居以及發(fā)展傳統(tǒng)民居成了當(dāng)務(wù)之急。大同傳統(tǒng)民居是當(dāng)?shù)鼐用裨谇О倌昱c自然的不斷協(xié)調(diào)中發(fā)展和完善起來(lái)的，具有很高的藝術(shù)價(jià)值、歷史文化價(jià)值、社會(huì)風(fēng)俗價(jià)值和景觀(guān)審美價(jià)值。對(duì)傳統(tǒng)民居的保護(hù)與更新、借鑒與創(chuàng)新的研究對(duì)于社會(huì)的發(fā)展、增強(qiáng)文化活力、創(chuàng)造地域特色文化景觀(guān)、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、塑造立體化形象有著現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。

通過(guò)大同古城傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀調(diào)查項(xiàng)目對(duì)古城傳統(tǒng)民居的三維空間信息進(jìn)行數(shù)字化采集和現(xiàn)狀調(diào)查，可提供高精度三維數(shù)字化成果，獲得完整準(zhǔn)確的院落數(shù)據(jù)資料。這對(duì)傳統(tǒng)民居建檔，真實(shí)記錄大同古城傳統(tǒng)民居的建筑特色和居住文化，科學(xué)有序地推進(jìn)古城保護(hù)工作，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 技術(shù)路線(xiàn)

針對(duì)大同古城傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀調(diào)查項(xiàng)目的要求，作業(yè)流程圖如圖1所示：

圖1 作業(yè)流程圖

3 實(shí)施方法

針對(duì)項(xiàng)目需要，項(xiàng)目實(shí)施主要內(nèi)容如下：

(1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量。采用大疆M600Pro飛行器搭載雙魚(yú)傾斜相機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行航飛測(cè)量，并利用后處理軟件生成三維實(shí)景模型，為后期平面布局圖繪制提供數(shù)據(jù)支持。

(2)控制測(cè)量。通過(guò)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘選點(diǎn)，充分利用已有的控制成果資料，按技術(shù)要求對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)像片進(jìn)行像控測(cè)量。一是為了保證無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模成果精度；二是將三維激光掃描標(biāo)靶點(diǎn)與國(guó)家坐標(biāo)聯(lián)測(cè)。

(3)三維激光掃描。采用Faro focus3D X330地面三維激光掃描儀對(duì)較好院落及保存較好構(gòu)件進(jìn)行掃描，保留重點(diǎn)院落三維空間數(shù)據(jù)。

(4)院落現(xiàn)狀調(diào)查與影像采集。工作人員對(duì)院落保存完好狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，記錄院落相關(guān)信息。采用佳能5D MarkⅢ對(duì)大同古城傳統(tǒng)民居的院落布局、單體建筑及較好構(gòu)件等進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。根據(jù)院落與主體建筑分類(lèi)，作為影像數(shù)據(jù)存檔。

(5)內(nèi)業(yè)處理。采用Smart3D對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)景建模，采用SCENE對(duì)掃描獲取的較好構(gòu)件的點(diǎn)云進(jìn)行基本處理，生成點(diǎn)云正射影像圖；線(xiàn)劃圖繪制。利用EPS對(duì)測(cè)區(qū)的三維實(shí)景模型進(jìn)行二維線(xiàn)劃圖繪制；對(duì)于院落較好構(gòu)件，結(jié)合點(diǎn)云正射影像圖進(jìn)行繪制，對(duì)其雕飾、紋理進(jìn)行拓樣。對(duì)因遮擋等無(wú)法測(cè)繪的地方，可以留白并進(jìn)行說(shuō)明。

(6)整理歸檔。完成對(duì)大同古城傳統(tǒng)民居的現(xiàn)狀說(shuō)明、現(xiàn)狀照片、平面布局圖、較好構(gòu)件線(xiàn)劃圖等成果資料的整理歸檔。

4 數(shù)據(jù)采集

4.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

由于古城內(nèi)傳統(tǒng)民居亂搭亂建、破壞嚴(yán)重，傳統(tǒng)測(cè)量手段很難安全、有效地測(cè)繪到院子的平面尺寸數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量不僅可以快速地提供院落的平面尺寸數(shù)據(jù)，還可以獲得院落的三維現(xiàn)狀實(shí)景數(shù)據(jù)，方便展示和應(yīng)用。

4.2 三維激光掃描

根據(jù)大同古城傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀調(diào)查項(xiàng)目的要求，考慮到古城傳統(tǒng)民居年久失修、周邊環(huán)境不穩(wěn)定因素的影響，項(xiàng)目采用FaroX330地面激光掃描儀獲取保存較好構(gòu)件的三維空間信息。以對(duì)佛殿廟點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集為例，如圖2所示。

4.3 院落現(xiàn)狀調(diào)查與影像采集

工作人員對(duì)院落保存完好狀況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，記錄院落相關(guān)信息。

對(duì)大同古城416處傳統(tǒng)民居的影像數(shù)據(jù)采集采用佳能EOS 5D Mark Ⅲ及其配件進(jìn)行全角度的近景拍攝，獲取影像數(shù)據(jù)。以圖像形式盡可能全面地記錄所測(cè)建筑或建筑群的環(huán)境、空間、造型、色彩、結(jié)構(gòu)、裝飾、附屬文物等信息。記錄所測(cè)建筑具體、特殊的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，可從外觀(guān)形式上輔助檢驗(yàn)測(cè)繪圖的正確性。

圖2 標(biāo)靶及掃描站布設(shè)示意圖

拍照內(nèi)容(以佛殿廟為例)

(1)單體建筑外觀(guān)形式。包括正面、側(cè)面、背面、沿街立面，平視、俯視、仰視等有意義的視點(diǎn)，佛殿廟正殿正面如圖3所示。

圖3 佛殿廟正殿正面

(2)建筑內(nèi)部空間。包括構(gòu)圖中心、內(nèi)部及內(nèi)外空間的分隔滲透、家具陳設(shè)、隔斷、天花、壁畫(huà)、幔帳及其色彩以及上述因素所形成的空間氣氛、場(chǎng)所感和意境等。

(3)建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造做法。包括整體結(jié)構(gòu)形式和柱、梁、枋、檁、墻體、臺(tái)基、踏跺等各類(lèi)節(jié)點(diǎn)以及門(mén)窗、槅扇、天花等裝修部件及其節(jié)點(diǎn)等，前檐結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 前檐結(jié)構(gòu)

(4)建筑細(xì)部和裝飾。包括建筑的彩畫(huà)、木雕、磚雕、石刻、瓦件、脊飾、吻獸等，門(mén)樓博縫板如圖5所示。

圖5 門(mén)樓博縫板

(5)建筑與周?chē)h(huán)境。包括建筑與周?chē)ㄖ?、圍墻、道路、?shù)木的關(guān)系等。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。地面三維激光掃描儀每次掃描只能得到局部的數(shù)據(jù)，為了得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要從不同的位置進(jìn)行多次掃描，每站掃描得到的數(shù)據(jù)都在以當(dāng)前測(cè)站為原點(diǎn)定義的一個(gè)局部坐標(biāo)系中。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)就是通過(guò)同名點(diǎn)將多站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下的過(guò)程。采用SCENE對(duì)掃描獲取的較好構(gòu)件的點(diǎn)云進(jìn)行基本處理，生成點(diǎn)云正射影像圖。

(2)點(diǎn)云優(yōu)化和坐標(biāo)統(tǒng)一。點(diǎn)云優(yōu)化包括對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪和抽稀。本工程中主要利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic完成點(diǎn)云優(yōu)化。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后因多站噪點(diǎn)的原因造成數(shù)據(jù)量過(guò)大，需要對(duì)異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)等噪點(diǎn)進(jìn)行降噪抽稀處理，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。利用SCENE對(duì)大同古城傳統(tǒng)民居保存較好構(gòu)件進(jìn)行處理，生成點(diǎn)云正射影像圖成果如圖6所示。

圖6 門(mén)樓南立面點(diǎn)云正射影像圖

5.2 三維實(shí)景建模

利用無(wú)人機(jī)航飛完成的影像數(shù)據(jù)、Pos數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)坐標(biāo)、點(diǎn)之記等相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合Smart3D三維實(shí)景建模軟件完成對(duì)測(cè)區(qū)的三維建模。

5.3 線(xiàn)劃圖繪制

(1)建筑平面布局圖，利用EPS對(duì)測(cè)區(qū)的三維實(shí)景模型進(jìn)行二維線(xiàn)底圖繪制，如圖7所示。

圖7 三維轉(zhuǎn)二維過(guò)程示意圖

(2)根據(jù)院落現(xiàn)狀調(diào)查成果，在二維底圖上標(biāo)注院落的相關(guān)信息，然后標(biāo)注院落主體建筑尺寸、坐標(biāo)，生成院落平面布局圖，如圖8所示。

圖8 佛殿廟平面布局圖

(3)保存較好構(gòu)件線(xiàn)劃圖，對(duì)于院落保存較好構(gòu)件，根據(jù)點(diǎn)云正射影像圖繪制線(xiàn)劃圖。對(duì)因遮擋等無(wú)法測(cè)繪的地方，可以留白并進(jìn)行說(shuō)明。成果如圖9、圖10所示。

圖9 佛殿廟東立面線(xiàn)劃圖

圖10 門(mén)樓南立面線(xiàn)劃圖

5.4 整理歸檔

完成對(duì)大同古城傳統(tǒng)民居的現(xiàn)狀說(shuō)明、現(xiàn)狀照片、平面布局圖、較好構(gòu)件線(xiàn)劃圖等成果資料的整理歸檔，對(duì)4個(gè)片區(qū)登記不可移動(dòng)文物、歷史建筑繪制院落范圍圖。

5.5 質(zhì)量檢查

(1)點(diǎn)云檢查。外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理，得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)切割點(diǎn)云，查看點(diǎn)云各站之間是否存在分層。如若存在分層現(xiàn)象，可將該站進(jìn)行再次配準(zhǔn)，直至滿(mǎn)足精度需要。

(2)傾斜數(shù)據(jù)精度檢測(cè)。采用全野外數(shù)字化實(shí)測(cè)成果與傾斜攝影內(nèi)業(yè)提取的成果進(jìn)行比對(duì)，檢查結(jié)果表明，基于傾斜攝影模型提取的房屋要素可以應(yīng)用于 1∶500地形圖測(cè)繪。

(3)影像數(shù)據(jù)檢查。外業(yè)采集的影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理，確保拍攝圖片數(shù)據(jù)已全面覆蓋，色彩均勻。

(4)線(xiàn)劃圖檢查。通過(guò)工作人員實(shí)地調(diào)查，對(duì)比完成的平面布局圖及保存較好構(gòu)件線(xiàn)劃圖，檢查是否存在差異。

成果圖冊(cè)示意圖如圖11所示。

圖11成果圖冊(cè)示意圖

6 結(jié) 論

生產(chǎn)實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合可以快速、準(zhǔn)確、全面地完成古城傳統(tǒng)民居現(xiàn)狀調(diào)查項(xiàng)目，與傳統(tǒng)調(diào)查方法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)生產(chǎn)效率高。3個(gè)月完成416出傳統(tǒng)院落現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告，傳統(tǒng)手段可能需要1年以上。

(2)測(cè)繪成果準(zhǔn)確、完整、全面。院落范圍、建筑格局，主要建筑尺寸位置全面準(zhǔn)確，測(cè)繪精度達(dá)到厘米級(jí)；對(duì)于院落較好構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化三維測(cè)繪，保證線(xiàn)劃圖尺寸、細(xì)節(jié)、現(xiàn)狀精度；測(cè)繪說(shuō)明基本信息完整、全面(包括街道門(mén)牌、地段環(huán)境、建筑面積、占地面積等)和描述性信息。

(3)測(cè)繪過(guò)程快捷安全。測(cè)量過(guò)程中，由于大部分傳統(tǒng)民居年久失修，面臨隨時(shí)倒塌的危險(xiǎn)，部分建筑及構(gòu)件由于環(huán)境原因引起的遮擋，對(duì)其采用非接觸手段進(jìn)行三維信息的采集，可以完美記錄建筑原貌，為記錄建筑物變遷提供最可靠的證據(jù)。