吳曉雯，張志華*，竇覺勇

（1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；4.蘭州交通大學 建筑與規(guī)劃學院，甘肅 蘭州 730070）

攝影測量長期以來被用作收集文化遺產(chǎn)三維信息和紋理信息的工具，在修復(fù)過程中，使用照片和數(shù)學公式，比傳統(tǒng)的方式更具優(yōu)越性，對于準確的量測文化遺產(chǎn)具有重要意義[1-4]，因此國內(nèi)外研究者廣泛將其應(yīng)用于古建筑保護。2002年，Gruen[5]等利用1970年拍攝的影像對阿富汗巴米揚大佛進行三維重建。伊斯坦布爾市政府利用攝影測量對法提赫清真寺進行修復(fù)研究[6]。在國內(nèi)，對重要遺跡、古建筑進行三維建模，初期主要借助三維激光掃描與攝影測量技術(shù)[7-9]。張永軍[7]等發(fā)現(xiàn)影像重疊度越大，相對定向的精度越好，而且平面和高程方向的交會精度的可靠性也越高，于是催生了另外一種技術(shù)的誕生(多視角影像三維重建技術(shù))。有不少研究者對小型文物進行三維重建，均取得了較好的研究成果[10-12]。但研究對象體型較小，借助相機即可完成影像的采集，而大型古建筑的三維重建卻不能僅借助相機。近年來，攝影測量借助先進的無人機技術(shù)，改進了數(shù)據(jù)采集和處理方法。文獻[13-14]采用無人機技術(shù)對大型不可移動文物進行重建，但由于環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致模型部分有空洞，仍然需要人工使用修模軟件對空洞區(qū)域進行修補。文獻[15]中針對古建筑范圍小、場景復(fù)雜、建模精細度要求較高等問題，采用無人機與二次開發(fā)技術(shù)，定點環(huán)繞多層、多角度對武漢大學老圖書館進行建模，取得了較好的成果。文獻[16]中采用空地多視角影像對古村落進行重建，紋理影像分辨率達到0.01 m。利用無人機作為影像獲取平臺進行古建筑三維建模，能夠真實記錄地單體建筑顏色、紋理及破損情況、分布格局與周邊環(huán)境，模型后續(xù)還可結(jié)合BIM技術(shù)對古建筑進行專業(yè)化管理[17]。

無人機在采集近地面數(shù)據(jù)時會受到樹木、屋檐等遮擋物影響，使得三維實景模型出現(xiàn)模糊、拉花、破洞等現(xiàn)象。這些問題不僅使模型在展示效果上大打折扣，而且還嚴重影響著模型的精度及其直接可量測性。針對以上問題，本文利用傾斜攝影測量方式獲取目標物的頂部以及四周場景影像，多視角近距離輔助攝影測量技術(shù)獲取目標物的加密影像，聯(lián)合建立精細化實景三維模型。通過目視解譯，分析三臺閣的殘損病害狀況，制定詳細的保護與修繕方案。

1 研究對象概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究對象概況

三臺閣原名魁星閣位于甘肅省蘭州市皋蘭山。始建于元朝仁宗年間，已有六百多年歷史，歷經(jīng)五毀六建，依舊巍然屹立。三臺閣在結(jié)構(gòu)、空間布局等方面吸收蘭州當?shù)靥厣纬闪霜毺氐娘L格。它是蘭州歷史更替的見證者，具有悠久的歷史文化底蘊。

三臺閣利用原有的遺址為臺基，外徹青磚，臺基上建有兩層樓閣，是典型的墩臺式建筑。閣樓結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架+木屋蓋，其中主柱與檐柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩臺外走廊地面為水泥砂漿抹面，木屋蓋有圓木椽、木飛椽、木望板與斗拱木雕。木作與裝修部分為蘭州本地園林式風格，磚雕工藝復(fù)雜，門窗雕花簡潔，彩繪樸素典雅。墩臺包砌青磚的質(zhì)地較差，并且砌筑時為糙砌未打磨。

隨著時間的流逝，受自然環(huán)境與人為活動的影響，三臺閣遭到不同程度的損毀，其中地基不均勻沉降、墩臺裂縫、青磚酥堿、構(gòu)件缺失以及植被破壞等問題較為嚴重。三臺閣擁有復(fù)雜的表面輪廓與豐富的紋理色彩，傳統(tǒng)的測量方法需要接觸到目標物進行數(shù)據(jù)采集，整個測量過程不僅費時費力，而且閣樓的高處以及樓檐細節(jié)也無從測量（三臺閣整體概況如圖1所示）。

圖1 三臺閣影像

1.2 影像獲取

本文傾斜攝影測量采用的是南方天行HO1300八旋翼無人機，飛行時間為中午，搭載5個鏡頭，航高為70 m，航向與旁向重疊度均設(shè)置為80%，每個鏡頭的照片數(shù)為71張，故總獲取影像為355張。

多視角加密影像采用的是大疆無人機御Mavic Air，手動飛行共獲取影像443張。在對建筑物進行手動加密拍攝時，需要注意關(guān)閉相機自動旋轉(zhuǎn)模式，避免照片出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，在拍攝建筑物立面時，從不同的平行線多角度拍攝照片，確保在連續(xù)的照片之間保持最少60%的重疊和最大15°的角度差，特別是在建筑物側(cè)面與頂部的銜接地方，需要在多個角度按照拍攝立面同樣的方式環(huán)繞拍攝多次，2個相鄰不同高度獲取的影像之間要具有60%的重疊度，為多數(shù)據(jù)源在空三處理中的自動融合提供基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

考慮到小型無人機在進行多視角加密作業(yè)當中，獲取的影像集具有獨立的坐標系統(tǒng)，故只拍攝了目標建筑物的主體部分，即單獨建筑物的加密影像。而由專業(yè)測繪無人機按照傾斜攝影測量方式在空中獲取建筑物大范圍場景的影像，并附帶POS信息，可按照傳統(tǒng)的建模方式即光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量（bundle triangulation,BT）解算出每一張相片的外方位元素（exterior orientation,EO）。

2.1 傾斜攝影影像與多視角加密影像的BT解算

在Context Capture（簡稱CC，原名Smart 3D）軟件中進行影像的空三處理時，傾斜攝影的影像組具備位置與姿態(tài)信息，即影像的內(nèi)方位元素，首先不加入像元控制點進行第一次BT解算，初步還原影像的拍攝位置及姿態(tài)，然后導(dǎo)入像元控制點，每個控制點至少要在三張不同視角的影像上找到并標識出來，再一次進行BT解算，根據(jù)影像的重疊關(guān)系對其進行特征點提取和影像匹配，建立影像間的空間變換關(guān)系[19]。

多視角加密影像組的位置信息建立在飛機自帶的獨立坐標系下，拍攝的影像只包含建筑物的主體部分，沒有覆蓋像元控制點，所以若要恢復(fù)到空三解算過程，并且對兩組影像進行融合，必須使此部分影像擁有像元控制點。故在傾斜攝影建模工作完成后，在其模型上拾取幾個（根據(jù)建筑物大小決定控制點數(shù)量）標志性、容易識別的點位，多次獲取點位坐標取平均值并記錄，將其作為多視角影像BT解算中的像元控制點，具體的解算流程與上述方法類似。

2.2 區(qū)塊合并

區(qū)塊合并是將上述兩組影像的BT解算成果合并到同一三維坐標空間中，并進行整體BT解算，獲得高精度的外方位元素，實現(xiàn)點云級別的融合，流程如圖2所示。

圖2 區(qū)塊合并流程

2.3 三維重建

在獲取了影像精確的外方位元素之后，根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中提取更多的特征點，由此得到大量的點云數(shù)據(jù)。再由匹配到的三維點云構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，自動將紋理影像映射到對應(yīng)的TIN三角面片上，最終形成精細化的實景三維模型。

3 模型精度分析

為了對比分析本文的技術(shù)方法與傳統(tǒng)技術(shù)方法（單獨采用傾斜攝影測量方式）建模效果的差異，以三臺閣為例，分別采用這2種方式進行實景三維建模。首先對比模型呈現(xiàn)的最直觀效果，圖3a是采用傳統(tǒng)技術(shù)方法建立的模型，由于閣樓的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是屋脊的雕飾、屋檐上的瓦片排列以及彩繪的花紋等，都出現(xiàn)了拉花、模糊等現(xiàn)象，幾乎看不見閣樓飛檐下的細節(jié)信息；而采用本文所提出的精細化建模方法建立的模型如圖3b所示，其結(jié)構(gòu)清晰、色彩清楚，雕飾以及飛檐下的細節(jié)信息幾乎全部保留，并未出現(xiàn)模糊、拉花等現(xiàn)象。

圖3 建模效果對比圖

對比圖4a和4b可以清楚地看出，單獨采用傾斜攝影測量的方式所構(gòu)建的TIN密度明顯比本文所用方法的TIN密度差很多，這將直接影響到后續(xù)建模以及紋理貼圖的效果。

圖4 TIN三角網(wǎng)對比圖

模型的精度取決于多種因素，外業(yè)像控點的布設(shè)、影像的重疊度與質(zhì)量、航飛高度等都會影響模型的精度。首先空三像點的誤差會影響密集匹配時的點云誤差，從而影響模型的相對誤差，所以像點重投影誤差的均方根是客觀反映最終建模精度的重要指標之一。通過查看空三報告中重投影誤差的均方根值，即可初步判斷模型精度的可信度，RMS值越小，建模精度相對就越高。在保證足夠控制點的前提下，根據(jù)經(jīng)驗公式，模型的精度約等于影像采集平均分辨率的三倍。在本實驗中，RMS值為0.69 pixel，影像采集平均分辨率為4.213 7 mm/pixel，即模型精度約為12.64 mm，可較好的滿足對古建筑物進行三維實景建模的高精度要求。

4 病害調(diào)查及修繕方案制定

4.1 內(nèi)業(yè)三維模型分析

本文通過內(nèi)業(yè)目視解譯分析了三臺閣的墻體裂縫、外包青磚的風化程度、植物入侵等情況，結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果與模型分析，三臺閣主要病害破損情況有以下幾點（以下圖像均截自三維模型）：

1）墩臺裂縫及地面開裂。由于墩臺周圍排水不暢以及植被生長，導(dǎo)致墩臺青磚的墻體有豎向與橫向的裂縫，最長達5 m，分布在墻體表面、從植物根部延伸向外擴展，臺階的開裂情況也很明顯（如圖5）。

圖5 墩臺裂縫及地面開裂

2）植被破壞。三臺閣本體生長了大量的植被，其根系對墻體造成了嚴重的漲裂，導(dǎo)致局部墻體開裂，青磚脫落，尤其是灌木，體積大生長力強，不僅增加墩臺整體的負重，而且影響三臺閣的美觀（如圖6）。植物儲存的“植物水”積蓄在青磚周圍，造成隱患性病害。

圖6 植被破壞

3）青磚酥堿泛霜。墩臺外包青磚，青磚本身具有較強的抗風化能力，保存狀態(tài)較為良好。但多年來受到風雨侵蝕、植物的根劈作用、掉落等一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致青磚酥堿破裂，特別是北側(cè)及背陰面青磚在植物和凍融循環(huán)的雙重作用下，青磚酥堿情況尤為普遍（如圖7）。

圖7 青磚酥堿泛霜

4）門窗丟失裝飾掉漆。上層閣樓的門窗表層漆面破損風化嚴重，甚至有些門板丟失，日常缺乏養(yǎng)護與管理（如圖8）。

圖8 門窗缺失掉漆

4.2 修繕與保護方案制定

針對以上破損現(xiàn)象，秉持安全、不破壞文物價值的原則，針對具體情況采取如表1所示。

表1 具體修繕方案

5 結(jié)語

文章詳細闡述了融合傾斜攝影影像與多視角加密影像進行精細化實景三維建模的過程，特別是在建模范圍大，需要精細化建模的建筑物位置分散且不方便布設(shè)像控點的情況下，運用本文所提供的方法進行三維建模會更加省時省力，且成本低廉，對于建筑物的真實性還原效果好。最終建模成果的紋理貼圖具有逼真的展示效果，可以為公眾提供全方位的觀測，并且可以直接在軟件中對模型進行量測。結(jié)合模型與現(xiàn)場勘探情況，分析了三臺閣的破損病害情況，制定具體的保護與修繕方案，減輕外業(yè)勘探人員的工作量。也可與BIM技術(shù)相結(jié)合，對古建筑進行規(guī)范化管理。在接下來的工作中若能夠總結(jié)出多視角加密影像的最優(yōu)數(shù)量（即在保證模型的還原效果及精度的前提下，采集的影像數(shù)量最少），將會大大減少外業(yè)手動飛行以及后期內(nèi)業(yè)處理的時間。