李核心

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)歷史建筑測(cè)繪方法工作量大、準(zhǔn)確性低、成果形式單一的問(wèn)題，提出了基于傾斜攝影和三維激光點(diǎn)云融合技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑測(cè)繪，制作準(zhǔn)確、完整的圖紙，并進(jìn)行三維仿真建模，實(shí)現(xiàn)了歷史建筑的全面、準(zhǔn)確測(cè)繪且成果豐富，為歷史建筑后期開(kāi)展維護(hù)管理、保護(hù)修繕、合理利用提供準(zhǔn)確、完整的基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維激光掃描;Lidar;點(diǎn)云;歷史建筑

中圖分類號(hào)：P208 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2021）12-0033-03

歷史建筑是不可再生的寶貴文化資源和歷史傳承的重要載體。保護(hù)和弘揚(yáng)傳統(tǒng)優(yōu)秀建筑文化，建設(shè)有歷史記憶、文化脈絡(luò)、地域特色的美麗城鎮(zhèn)，是推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、建設(shè)文化強(qiáng)省的重要內(nèi)容。準(zhǔn)確、完整的測(cè)繪歷史建筑物平面圖、立面圖和各類詳圖，對(duì)于歷史建筑物的修繕、復(fù)原具有重要意義。傳統(tǒng)方法通過(guò)采用全站儀、測(cè)距儀和皮尺等工具對(duì)歷史建筑物進(jìn)行丈量并繪制相應(yīng)圖件，存在工作量大、準(zhǔn)確性低、成果形式單一等問(wèn)題。傾斜攝影和三維激光掃描技術(shù)采用非接觸、全息掃描的方式采集歷史建筑表面的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理色彩，后期結(jié)合相關(guān)的軟件可快速?gòu)?fù)建出歷史建筑的三維立體模型，在此基礎(chǔ)上繪制出相應(yīng)的平面圖、立面圖和剖面圖等二維平面信息[1]。與傳統(tǒng)采集方式相比，該方法具有采集效率高、精度高、成果豐富等特點(diǎn)，對(duì)歷史建筑物的測(cè)繪、保護(hù)提供了非常好的技術(shù)手段。

1 總體技術(shù)路線

首先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解測(cè)區(qū)地形及周邊情況，合理地設(shè)計(jì)控制點(diǎn)，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描測(cè)量和全景影像采集高效地獲取歷史建筑周邊、屋頂、外立面、室內(nèi)燈全方位信息，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合手段構(gòu)建完整的歷史建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上生產(chǎn)各類測(cè)繪成果，如圖1所示。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1 投入的設(shè)備

投入的設(shè)備如表1所示。

2.2 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集

制定傾斜攝影測(cè)量飛行計(jì)劃：根據(jù)攝區(qū)形狀、工作量、飛機(jī)飛行的安全航高，結(jié)合攝區(qū)地形情況，并依照航空攝影的相關(guān)技術(shù)要求，制定無(wú)人機(jī)的飛行計(jì)劃，重點(diǎn)設(shè)計(jì)飛行航高、航向重疊度、旁向重疊度、影像地面分辨率等參數(shù)。

布設(shè)像控點(diǎn)：根據(jù)設(shè)計(jì)的飛行計(jì)劃，采用合理的像控點(diǎn)網(wǎng)布點(diǎn)方案，一般采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案，為保障成果精度，像控點(diǎn)在航線方向和旁向的跨度一般為300米，個(gè)別困難地區(qū)在保證精度情況下可適當(dāng)放寬到400米。像控點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰，易于判別?；⌒蔚匚锛瓣幱啊ⅹM溝、尖山頂和高程變化急劇的斜坡等，均不宜選作刺點(diǎn)目標(biāo)。

航攝實(shí)施：所攝區(qū)域空域申請(qǐng)經(jīng)航空管制部門(mén)批復(fù)后，方可進(jìn)行航空攝影。各種審批手續(xù)辦完以后，外業(yè)航攝人員開(kāi)展攝影作業(yè)。航攝飛行要求應(yīng)滿足《IMU/GPS輔助航空攝影技術(shù)規(guī)范》（GB/T 27919-2011）中6.2節(jié)之規(guī)定。

2.3 點(diǎn)云、全景數(shù)據(jù)采集

通過(guò)Trimble X7三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取其空間三維數(shù)據(jù)、顏色信息、紋理等方面的數(shù)據(jù)，并建立檔案，為以后建筑物改造或復(fù)原提供了依據(jù)。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如下：

（1）作業(yè)方案制定：首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，確定掃描作業(yè)方案，在建筑內(nèi)外部合理布設(shè)測(cè)站點(diǎn)。

（2）點(diǎn)云獲?。涸诟鳒y(cè)站點(diǎn)上架設(shè)激光掃描儀，利用Trimble X7三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，獲取建筑外部和內(nèi)部的點(diǎn)云信息。

（3）全景影像獲?。翰捎玫腡rimble X7三維激光掃描儀能夠在掃描點(diǎn)云的同時(shí)獲取物體表面影像。除此之外，需補(bǔ)充對(duì)建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照，對(duì)重要的保護(hù)建筑進(jìn)行錄像，直接作為數(shù)據(jù)存檔。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 傾斜攝影影像處理

傾斜影像采用武漢大勢(shì)智慧科技有限公司重建大師傾斜影像自動(dòng)三維重建系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)景三維建模，三維建模生產(chǎn)具體流程如圖2所示。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常包括影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容，其基本原理如圖3所示。

空中三角測(cè)量階段需要外業(yè)控制點(diǎn)文件以及點(diǎn)之記、原始影像及相機(jī)文件;計(jì)算機(jī)完成自動(dòng)相對(duì)定向后通過(guò)人工選點(diǎn)、刺點(diǎn)完成區(qū)域絕對(duì)定向;分析誤差，空三成果檢查合格后提交空三資料，最后利用空三成果進(jìn)行模型重建?？杖鞒倘鐖D4所示。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描獲取單站的點(diǎn)云，通過(guò)Trimble RealWorks軟件進(jìn)行全自動(dòng)或手動(dòng)拼接，將各站點(diǎn)云歸至同一坐標(biāo)系下，合為一個(gè)測(cè)區(qū)的整體點(diǎn)云成果。主要工作流程如下：

（1）導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)，Trimble X7三維激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)可直接在RealWorks軟件中打開(kāi)或拖入到RealWorks軟件中，并且在導(dǎo)入階段就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、過(guò)濾工作和點(diǎn)云自動(dòng)著色。

（2）通過(guò)RealWorks軟件的全自動(dòng)配準(zhǔn)或單點(diǎn)配準(zhǔn)功能進(jìn)行點(diǎn)云之間的拼接配準(zhǔn)。

（3）完成點(diǎn)云配準(zhǔn)后，建筑的彩色點(diǎn)云已經(jīng)能夠立體展示其結(jié)構(gòu)和紋理，快速實(shí)現(xiàn)了三維成型。

3.3 傾斜攝影與三維激光掃描數(shù)據(jù)融合

將空三生成的密集點(diǎn)云與經(jīng)預(yù)處理后的三維激光掃描的點(diǎn)云導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。首先在軟件中對(duì)點(diǎn)云初步處理包括消除數(shù)據(jù)冗余、點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁切分幅、噪聲點(diǎn)粗差分類;然后通過(guò)自動(dòng)分類的宏命令對(duì)點(diǎn)云自動(dòng)分類，對(duì)自動(dòng)分類后的激光點(diǎn)云進(jìn)行人工干預(yù)，對(duì)點(diǎn)云自動(dòng)分類后的被錯(cuò)分、少分、或是難以區(qū)分的地物進(jìn)行編輯與修改，同時(shí)，對(duì)無(wú)數(shù)據(jù)的水系區(qū)域、建筑物區(qū)域、被遮蔽區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性處理。最后運(yùn)用控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)目標(biāo)坐標(biāo)系的分類后激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括地面點(diǎn)點(diǎn)云，非地面點(diǎn)點(diǎn)云，低點(diǎn)、飛點(diǎn)、噪音點(diǎn)，條帶間冗余點(diǎn)[2]。通過(guò)軟件運(yùn)用宏命令對(duì)非地面點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行各類地物類別分類，如建筑類別點(diǎn)云、道路類點(diǎn)云、其他各類點(diǎn)云，最終用于歷史建筑物三維模型生產(chǎn)。

3.4 正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作

歷史建筑點(diǎn)云經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，為了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為建筑的圖形數(shù)據(jù)，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行處理，制作正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果。

（1）對(duì)歷史建筑各個(gè)立面和每層平面分別進(jìn)行切片，獲取每個(gè)立面和平面的獨(dú)立點(diǎn)云數(shù)據(jù);（2）通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使每個(gè)立面和平面都成為正投影點(diǎn)云;（3）對(duì)每個(gè)正投影點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和輸入，使其成為獨(dú)立的點(diǎn)云數(shù)據(jù);（4）最后將正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD聯(lián)動(dòng)進(jìn)行制圖。

3.5 平、立、剖面建筑圖繪制

將上一步多得到的正射點(diǎn)云通過(guò)Pointools for CAD導(dǎo)入，提取建筑結(jié)構(gòu)特征和量測(cè)距離，按合適比例繪制專業(yè)的建筑平面圖、立面圖和剖面圖。平面圖要求標(biāo)注墻中軸線、墻體布置及寬度、門(mén)窗定位、樓梯、庭院外廊立柱、陽(yáng)臺(tái)、室外臺(tái)階;立面圖標(biāo)注門(mén)窗定位及高度、檐口和屋脊標(biāo)高、4個(gè)方位的立面，繪制單線圖;剖面圖標(biāo)注屋架擱置方向，地面、室外、檐口、屋脊、屋架下弦標(biāo)高[3];發(fā)現(xiàn)墻體較大裂縫和其他較嚴(yán)重的毀損，附加簡(jiǎn)單注明。

3.6 歷史建筑大樣數(shù)據(jù)制作

為完整、真實(shí)反映歷史建筑物的建筑細(xì)節(jié)，需制作歷史建筑物大樣圖，可采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)和照片表達(dá)大樣圖的方法進(jìn)行制作。由于大樣圖通常為抽象的雕花等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)手繪的方法無(wú)法真實(shí)和立體地反映大樣的特征和細(xì)節(jié)，因此采用彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接表示大樣成果，既保證了大樣成果的真實(shí)性，又保證了尺寸的高精度，同時(shí)把大樣數(shù)據(jù)表達(dá)從二維表達(dá)提升到三維表達(dá)，更加立體和逼真。

3.7 三維仿真建模

根據(jù)融合后的點(diǎn)云、傾斜影像和全景數(shù)據(jù)，利用軟件提供的繪圖工具繪制建筑表面輪廓線，分析和制作建筑的主體幾何結(jié)構(gòu)，從而搭建建筑幾何模型，已繪制完成的建筑平、立、剖面圖也可直接用于三維仿真建模。后續(xù)將幾何模型導(dǎo)入3d Max等專業(yè)建模軟件中對(duì)模型進(jìn)一步細(xì)化和完善，并賦予紋理貼圖，制作建筑精細(xì)模型，不但作為數(shù)字化存檔，并能夠結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽與展示[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分利用傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，融合多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)而制作歷史建筑正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)，繪制歷史建筑平、立、剖圖形，構(gòu)建精細(xì)三維模型等過(guò)程，探索出融空地多源數(shù)據(jù)為一體的歷史建筑數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)路線，為歷史建筑留下了寶貴的基礎(chǔ)性資料，方便后期開(kāi)展維護(hù)管理、保護(hù)修繕、合理利用等工作。

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