朱春成 李世明,2 申 迎

(1. 四川視慧智圖空間信息技術(shù)有限公司, 成都 四川 610083; 2. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 成都 四川 611756; 3. 浙江中海達空間信息技術(shù)有限公司, 德清 浙江 313200)

0 引言

作為我國首批歷史文化名城之一,紹興是江南地區(qū)著名的水鄉(xiāng)澤國,全市現(xiàn)有橋梁萬余座,其中各類古橋有703座且大多為古代石橋,構(gòu)造堅固,至今仍有使用,是極具特色的大宗文化遺產(chǎn)[1]。隨著時間流逝,古代石橋不斷受到自然和人為活動的破壞,文物保護刻不容緩。精細(xì)三維數(shù)字化重建可以探測和保存古代石橋精準(zhǔn)的幾何結(jié)構(gòu)和豐富的紋理信息,已經(jīng)成為文物保護工作的重要資料[2]。但是,古代石橋具有復(fù)雜的輪廓表面、豐富的雕刻細(xì)節(jié)和相對龐大的體積,實現(xiàn)古代石橋精細(xì)化三維建模成了行業(yè)難題之一。

歷史構(gòu)筑物的數(shù)字化保護最早利用CAD結(jié)合人工調(diào)繪開展[3],軟件3D Studio Max(簡稱3D MAX)等專業(yè)的三維建模引擎和三維激光掃描技術(shù)的集成逐漸成了三維建模的主要方法[4],但多站點激光掃描、人工交互式重建和紋理貼圖需要大量的人力投入,而且受限于作業(yè)人員的工作經(jīng)驗。隨著傾斜攝影測量實景三維建模技術(shù)的興起和不斷進步,豐富的紋理信息和高自動化的數(shù)據(jù)處理過程為歷史構(gòu)筑物的保護性三維重建提供了新的選擇[5],但是依然難以兼顧古代石橋保護中大場景范圍和局部細(xì)節(jié)保真的重建需求[6]。

為了保證古代石橋三維重建模型的完整度、精細(xì)度和準(zhǔn)確度要求,本文提出了一種融合空地遠(yuǎn)近景影像的古代石橋保護性精細(xì)三維重建方法,首先基于無人機平臺進行整個場景的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集,接著在地面視角對橋梁的局部精細(xì)結(jié)構(gòu)和橋底等視線未覆蓋區(qū)域補拍影像數(shù)據(jù),隨后通過空地影像的聯(lián)合處理,實現(xiàn)了古橋整體場景和局部精細(xì)結(jié)構(gòu)的完整精細(xì)重建,最后根據(jù)數(shù)字化保護需求,將分割后的橋體三維點云按多個視點方向進行投影并繪制矢量大樣圖數(shù)據(jù)。本文提出的方法成功應(yīng)用在紹興市古橋群三維重建保護實踐中。

1 數(shù)字化保護數(shù)據(jù)采集方法介紹

對于古代石橋的數(shù)字化保護測繪,已經(jīng)廣泛地采用了新型測繪遙感技術(shù),主流的方法主要有基于地面測繪、基于激光掃描和基于影像遙感三大類別。傳統(tǒng)地面測繪通常用于文物發(fā)掘現(xiàn)場,采用全站儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)測繪設(shè)備,基于稀疏的地形結(jié)構(gòu)點采樣進行內(nèi)業(yè)數(shù)字化成圖[6]。這種方法需要現(xiàn)場草圖繪制,依賴制圖人員經(jīng)驗,且二維的矢量圖成果難以滿足多樣的應(yīng)用需求。

激光掃描是一種主動式遙感方法,有航空、車輛、地面站點、背包式等多種平臺可供選擇,以適應(yīng)不同的采集任務(wù)[7]。在文物保護和考古發(fā)掘領(lǐng)域,激光掃描已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用[8],但是仍然有兩個方面的限制。其一,是激光掃描設(shè)備難以記錄準(zhǔn)確的目標(biāo)紋理。雖然設(shè)備通常集成數(shù)碼相機并可將影像紋理映射到離散的三維點云上,但是這種紋理映射的準(zhǔn)確程度較低并只有表層,缺乏縱深數(shù)據(jù)[9]。其二,離散的三維點云通常冗余度較高并存在孔洞,自動化建模會出現(xiàn)大量的拓?fù)溴e誤[10]。

隨著傾斜攝影測量近年來的快速發(fā)展,被動式的影像遙感方法具有更高的自動化程度和更豐富的紋理表現(xiàn)效果[11]。無人機平臺搭載多視角傾斜攝影測量相機已經(jīng)成為主流,可以在近地面高度從垂直、傾斜多個視角獲取高分辨率影像,利用ContextCapture等軟件可以高自動化地獲取三維實景模型[12]。對于古代石橋底部或具有精細(xì)雕刻結(jié)構(gòu)的石橋局部細(xì)節(jié),則需要補拍近距離影像作為補充。在空中三角測量平差時,利用同名點建立空地影像的聯(lián)系,以得到統(tǒng)一的空中三角測量加密成果,獲取更為準(zhǔn)確的三維重建結(jié)果。

2 融合空地影像三維精細(xì)重建

紹興古橋群由13座元至民國時期的石橋組成,分布于紹興市區(qū)和柯橋區(qū),屬于全國重點文物保護單位,具有極高的文物保護價值。本文以廣寧橋和涇口大橋為示例,以驗證本文提出方法的有效性。其中廣寧橋始建于南宋高宗前,是紹興現(xiàn)存最長七折邊形單孔石拱橋,橋拱下有纖道,是橋上橋下兩條道路交叉通行的“古立交橋”。券頂鐫《鯉魚跳龍門》《金龍伴玉兔等六幅圓型石雕》,橋拱石上有刻文,現(xiàn)有“萬歷二年”“會稽廿三都章家,壽命延”“山陰、信官”等字可識[13]。涇口大橋始建于清乾隆前,由三孔馬蹄形拱橋與三孔石梁橋組成,拱橋在北,梁橋在南,橋身東西兩側(cè)飾獅頭長系石,間壁陰刻楷書橋聯(lián),橋欄兩面飾以浮題圖案,望柱頭雕蓮瓣和蹲獅。此二橋皆歷史悠久,具有豐富的雕、聯(lián)、圖、字,且受破壞損毀痕跡重,亟須搶救性三維重建。

2.1 技術(shù)路線

融合空地影像三維建模技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 融合空地影像的古代石橋三維數(shù)字化保護技術(shù)路線

2.2 空地影像數(shù)據(jù)獲取

2.2.1無人機傾斜攝影測量

在紹興古代石橋的空中影像獲取過程中,采用DJIM600Pro無人機平臺,搭載5鏡頭傾斜攝影測量相機睿鉑DG-3。該設(shè)備可同時采集一個垂直視角和四個傾斜視角的彩色影像數(shù)據(jù),正視焦距28 mm,側(cè)視焦距40 mm,總像素數(shù)1.2億個。單架次有效航時30 min,在航線規(guī)劃時相對航高設(shè)置為120 m,則地面采樣距離(Ground Sample Distance,GSD)可達到5 cm以內(nèi),單架次可完成0.5 km2的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

由于古代石橋所處環(huán)境復(fù)雜,植被遮蔽多且橋體局部細(xì)節(jié)豐富,在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中傳統(tǒng)航測的均勻平行航帶設(shè)計不同,本項目的無人機傾斜航飛過程采取了手工操控繞飛的方式進行,盡可能地采集更為豐富紋理和更全面地覆蓋古代石橋。以涇口大橋為例,無人機航飛采集了770張影像,航飛高度從30～80 m不等。

2.2.2地面影像補拍

地面影像可以突破空中視角限制實現(xiàn)石橋底部的信息采集,并可以更高的分辨率獲取古代石橋豐富的細(xì)節(jié)雕刻結(jié)構(gòu)。地面視角影像需要具有較高的相鄰影像重疊率,且需要確保地面影像和空中影像數(shù)據(jù)的重疊度,便于后續(xù)影像的聯(lián)合平差。空地影像的配合可以提高古代石橋信息采集的完整性。本項目采用了索尼Alpha 7RⅡ相機,單張影像有效像素數(shù)可達4 200萬個,焦距為35 mm。

在古代石橋地面影像拍攝過程中,由于橋下河道航船駐留困難,本項目采用了手持相機拍攝和無人機結(jié)合云臺單相機側(cè)拍相結(jié)合的模式。對于橋拱下和橋側(cè)底部區(qū)域,本項目將單鏡頭相機結(jié)合云盤掛載到無人機平臺上,由飛控手由遠(yuǎn)及近采集連續(xù)影像。對于橋欄石雕、橋聯(lián)等行人可達的重點保護對象,手持相機進行圍繞式拍照,確保了石橋豐富細(xì)節(jié)的完善數(shù)據(jù)采集。以涇口大橋為例,機載單鏡頭側(cè)視拍照440張,手持相機拍照257張。

2.2.3像控點采集

為了獲取具有真實地理坐標(biāo)的三維重建結(jié)果,本項目需要進行像控點的準(zhǔn)確測量?？紤]到三維重建結(jié)果應(yīng)盡量保持古橋本身的表面紋理,且古橋本身具有大量容易識別的結(jié)構(gòu)特征點,因此本項目像控點不再布設(shè)靶標(biāo),而是利用了全站儀免棱鏡測量橋體結(jié)構(gòu)特征點三維坐標(biāo),特別是臺階角點、橋欄頂點、橋雕拐點、地面磚縫接口等。以涇口大橋為例,全站儀像控點采集35個,視距不超過100 m,確保了空三處理環(huán)節(jié)具有足夠數(shù)量的像控點數(shù)據(jù)。

2.3 實景三維重建

本次工程采用了ContextCapture軟件進行數(shù)據(jù)處理。該軟件支持顯卡GPU計算,支持多臺工作站并行集群式運算,可有效縮短三維建模周期。整體數(shù)據(jù)處理的過程采用了標(biāo)準(zhǔn)的多視立體匹配和三維重建工作流[12],如圖2所示。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,首先進行空中三角測量以獲取空中影像和地面影像的絕對定向元素,恢復(fù)準(zhǔn)確的立體關(guān)系,隨后進行多視密集匹配,得到三維重建結(jié)果。

圖2 三維重建流程

空地影像數(shù)據(jù)由于具有不同的內(nèi)方位元素,在數(shù)據(jù)導(dǎo)入環(huán)節(jié)進行了分組,并進行像控點的刺點,輸入全站儀測量獲取的像控點全局坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。接著,利用軟件進行自動連接點計算。由于空地影像具有顯著的尺度差異和視角差異,且難免會受到植被覆蓋等導(dǎo)致的遮擋帶來的干擾,因此通常會存在連接點錯誤、局部連接點匹配數(shù)量不足的情況發(fā)生。如果地面補拍的影像存在明顯畸變或取景范圍太小,也會導(dǎo)致部分影像無法建立連接的情況發(fā)生,必要時需要人為交互式的調(diào)整連接點。涇口大橋的空中三角測量結(jié)果如表1所示。

表1 涇口大橋空中三角測量結(jié)果報告

基于空中三角測量得到的空地影像絕對定向結(jié)果,通過多視影像密集匹配,可以計算得到場景三維彩色點云數(shù)據(jù),并利用點云構(gòu)建多層級自適應(yīng)三角網(wǎng)模型。通過自動的紋理映射,每一個三角面片都具有對應(yīng)位置的真實紋理,即最終的實景三維模型重建結(jié)果(圖3)。該模型基于瓦片構(gòu)建多細(xì)節(jié)層次模型(Levels of Detail, LOD),可以在三維可視化平臺中加載并瀏覽。從圖4可以看到,隨著視點到觀察目標(biāo)的距離變化,多細(xì)節(jié)層次模型會自動加載不同細(xì)節(jié)層次的三角網(wǎng)模型,以優(yōu)化可視化占用的電腦計算資源,實現(xiàn)模型的高效瀏覽。

圖3 涇口大橋三維重建成果

圖4 基于瓦片的多細(xì)節(jié)層次模型

圖5展示了涇口大橋的實景三維模型成果,可以看到融合空地影像的三維重建結(jié)果,不僅具有完整的整體表達效果,且完整保留了精細(xì)的局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和紋理。如圖5(b)所示,獅頭長系石上陰刻楷書橋聯(lián)“一帆沙鳥慶紅橋”,中孔拱券外側(cè)陰刻楷書“涇口大橋”“大清宣統(tǒng)三年辛亥三月”等字皆清晰可見。對于橋底拱頂?shù)忍幱诳罩幸暯钦趽醯膮^(qū)域,地面補拍影像的加入使得三維重建成果完整且準(zhǔn)確。此外,直觀地顯示效果和準(zhǔn)確的細(xì)節(jié)恢復(fù),可以快速清楚地進行損毀結(jié)構(gòu)的排查等進一步應(yīng)用。廣寧橋的實景三維模型成果如圖6所示。

圖5 涇口大橋?qū)嵕叭S模型成果

圖6 廣寧橋?qū)嵕叭S模型成果

相對于傳統(tǒng)的影像資料和文字資料而言,融合空地影像的精細(xì)三維重建方法,可以在數(shù)字空間直觀形象地表達古代石橋的整體風(fēng)貌和精細(xì)的局部細(xì)節(jié),最大限度地保留了古代造橋技藝成果,避免了隨著時間流逝帶來的自然侵蝕和對文物信息傳承的人為破壞。

3 結(jié)束語

本文針對紹興古橋群文物數(shù)字化保護需求,提出了一種融合空地影像的精細(xì)三維重建方法。該方法兼顧了整體場景的實景三維重建和古代石橋局部細(xì)節(jié)的精細(xì)恢復(fù),有效地實現(xiàn)了具有復(fù)雜輪廓表面、豐富雕刻細(xì)節(jié)和相對龐大體積的大宗文物精細(xì)三維重建。本文提出的融合空地影像的精細(xì)三維數(shù)字化保護方法成功地應(yīng)用在紹興古橋群數(shù)字化保護項目中,與傳統(tǒng)方法相比,信息獲取快、保留全、處理自動化程度高、效果直觀。

由于空地影像具有分辨率、覆蓋范圍的顯著差異,在本方法處理中,仍然需要一定數(shù)量的像控點以輔助準(zhǔn)確的空中三角測量聯(lián)合平差,在影像匹配方法上存在交大的改善和優(yōu)化空間。高自動化獲取的實景三維模型在樹木、房屋的遮擋下仍然存在一系列模型拉花扭曲的錯誤,需要后期人工修測參與。