周樂恒，劉偉鋅，王興平，王東水，歐建良

（1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350108；2.陽光學(xué)院土木工程學(xué)院，福建福州 350015；3.湖南維納空間信息技術(shù)有限公司，湖南長沙 410082）

我國歷史悠久，各種古建筑風(fēng)格迥異、藝術(shù)價值高、分布地域廣泛，不同自然環(huán)境和不同氣候條件造就了各地古建筑獨(dú)有的特色。如何保護(hù)好各地傳統(tǒng)古建筑，對講好中國故事具有重大意義。近年來，國內(nèi)掀起一股仿古熱潮，一些仿古小鎮(zhèn)的成功讓多地紛紛著手建設(shè)“人造古鎮(zhèn)”，但是不少仿古小鎮(zhèn)脫離本地特色，只是單純地對典型的中國古建筑進(jìn)行復(fù)制照搬，缺少文化內(nèi)涵，極容易引起游客的審美疲勞。以三維激光掃描與無人機(jī)傾斜航攝相結(jié)合空地一體化的測繪技術(shù)，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，用于古建筑的建模和工程圖紙的繪制，幫助建立古建筑的全息檔案，深入挖掘古建筑特色，為古建筑的保護(hù)和還原提供可靠支持。

本文以廣東省珠海市唐家灣鎮(zhèn)的會同古巷22號民居古建筑開展實(shí)例研究，分析說明本文所研究的空地一體集成測圖技術(shù)在古建筑保護(hù)中的可行性及優(yōu)勢。

1 技術(shù)方案研究

1.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)的一種非接觸的測量技術(shù)，具有高精度、高效率、高密度的特點(diǎn)。該技術(shù)的工作原理是：激光脈沖發(fā)射體發(fā)射激光脈沖，根據(jù)發(fā)射和其返回到儀器的時間差，計(jì)算出掃描點(diǎn)與儀器的距離，再根據(jù)脈沖激光的角度由三角函數(shù)關(guān)系得到掃描點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo)[1-2]。工作前先踏勘場地，設(shè)計(jì)測站點(diǎn)，相鄰測站點(diǎn)按一定重疊率對目標(biāo)物掃描，再對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，減小行人、車輛等影響，然后將不同測站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系中，從而實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建。

三維激光掃描采集效率高，以豐富的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的直觀精確重現(xiàn)。與電子全站儀、攝影測量等技術(shù)相比，該技術(shù)在古建筑測繪工作中受外界環(huán)境影響更小，能實(shí)現(xiàn)古建筑重要構(gòu)件及裝飾紋理的高精度還原，繪制高質(zhì)量工程圖紙。

1.2 無人機(jī)傾斜航攝

傾斜航攝技術(shù)同樣是近些年來新興且發(fā)展迅速的測繪技術(shù)，在工程建設(shè)、國土監(jiān)察、土地規(guī)劃以及古建筑保護(hù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過在飛行平臺上搭載傳感器，從一個垂直和四個傾斜方向以獲取豐富的地面物體影像及其紋理，克服了垂直角度拍攝主要反應(yīng)地物頂面特征而缺少側(cè)面信息帶來的局限性，改善了航攝建筑物時墻面變形等問題[3-4]。

進(jìn)行無人機(jī)航攝工作前需要預(yù)先制定好航線，對無人機(jī)航向、旁向重疊度等進(jìn)行設(shè)定，不合理的航線會對后期模型的精度造成影響。根據(jù)預(yù)先制定的航線飛行且搭載著傳感器的無人機(jī)，獲取傾斜影像并自動記錄相關(guān)參數(shù)，利用獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角計(jì)算，獲取航空影像外方位元素，由影像匹配得到密集點(diǎn)云，幫助構(gòu)成TIN網(wǎng)后映射紋理，生成三維傾斜模型[5]。

通過專門配套軟件，無人機(jī)傾斜航攝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速高效的建模，大大減少時間成本，減少高點(diǎn)測量的危險(xiǎn)性。且無人機(jī)傾斜航攝的三維模型，可以直觀地表達(dá)出豐富且真實(shí)的屋頂信息，建筑外觀一目了然，其高精度的特點(diǎn)也使得三維模型可用于測圖輔助，解決傳統(tǒng)測繪技術(shù)難以測量的部分并實(shí)現(xiàn)完整制圖。

1.3 建模融合與切片制圖

模型數(shù)據(jù)能精確記錄空間位置信息，在古建筑修復(fù)或重建時用途非常廣泛。更重要的是，將數(shù)據(jù)傳輸入電腦建立的三維模型，利用Auto CAD 等軟件可以從任意視角對任意區(qū)域厚度進(jìn)行裁剪，生成剖面切片進(jìn)行制圖?；谀Ｐ偷钠拭媲衅?，可以繪制出建筑物標(biāo)準(zhǔn)平面圖、立面圖、剖面圖、以及1∶20 甚至1∶1 結(jié)構(gòu)大樣圖。高精度工程繪圖能更清楚的表現(xiàn)建筑物構(gòu)件尺寸和位置關(guān)系，更好地解決傳統(tǒng)古建筑缺少基本資料的問題，在古建筑保護(hù)、修繕遇到問題時大有用武之地。

1.4 綜合技術(shù)路線設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)測繪技術(shù)進(jìn)行古建筑測繪時，花費(fèi)大量的人力且有耗時長、不安全、易造成破壞等劣勢。當(dāng)前無人機(jī)超低空厘米級航拍技術(shù)的成熟，使得三維激光掃描和無人機(jī)傾斜航攝在古建筑測圖保護(hù)中的綜合應(yīng)用成為可能。實(shí)際工作中，按設(shè)計(jì)地面作業(yè)線路在建筑物室內(nèi)外架設(shè)激光掃描儀掃描，以無人機(jī)按設(shè)計(jì)貼近繞飛線路做傾斜航攝，獲得外業(yè)數(shù)據(jù)后，再綜合處理生成三維模型。二維信息提取主要基于三維激光掃描的點(diǎn)云模型進(jìn)行繪制的剖面圖、平面圖、立面圖、大樣圖，無人機(jī)傾斜模型進(jìn)行測圖輔助，在室內(nèi)結(jié)構(gòu)受地物遮擋影響較大、建筑特征與表面狀況不一致時實(shí)地檢查。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 綜合技術(shù)流程圖Fig.1 Flow chart of comprehensive technology

集成激光掃描和無人機(jī)航攝可以優(yōu)勢互補(bǔ)：（1）以無人機(jī)傾斜航攝實(shí)現(xiàn)高精度快速大面積測繪，同時解決地面三維激光掃描中屋頂數(shù)據(jù)缺失的不足；（2）遇到間距小密度大的建筑群，激光掃描點(diǎn)云模型和無人機(jī)傾斜模型結(jié)合可改善單純傾斜模型中屋檐部分?jǐn)?shù)據(jù)少質(zhì)量差的問題[6]；（3）三維激光可對建筑內(nèi)部裝飾及重要構(gòu)件掃描并獲得精確數(shù)據(jù)，克服室內(nèi)光線不足、難以有效航攝等局限性。

1.5 集成技術(shù)應(yīng)用分析

融合激光掃描與傾斜航攝空地一體建模測圖，可在以下幾方面用于古建筑保護(hù)。

第一，以三維模型和建筑工程圖真實(shí)還原古建筑現(xiàn)狀、各關(guān)鍵構(gòu)件尺寸與空間分布。如果是缺乏原始設(shè)計(jì)資料古建筑，本技術(shù)成果可以為深挖地方特色、保存古建筑特點(diǎn)提供客觀依據(jù)。

第二，基于三維激光掃描與無人機(jī)傾斜航攝生成的數(shù)字三維模型，是古建筑全息檔案構(gòu)建的基礎(chǔ)，能真實(shí)直觀表現(xiàn)古建筑的空間幾何結(jié)構(gòu)特征，從而以數(shù)據(jù)共享方式進(jìn)行宣傳展示，推動中華文化走向世界、各地特色廣為人知。

第三，助推建筑業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)特色保護(hù)與精準(zhǔn)開發(fā)并重。以往在“特色古鎮(zhèn)、美麗鄉(xiāng)村”等開發(fā)建設(shè)時所采用的大拆大建方式，不但投入經(jīng)費(fèi)巨大且不利于環(huán)境保護(hù)。以本技術(shù)提供高精度三維模型及工程圖紙為基礎(chǔ)，可以“修舊如舊”精準(zhǔn)維護(hù)翻新、減少不必要拆除破壞、降低施工成本難度，避免仿古重建。

2 試驗(yàn)檢驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)簡介

古建筑會同古巷22 號位于廣東省珠海市唐家灣鎮(zhèn)西南會同村，始建于1732 年，有著典型的嶺南傳統(tǒng)式建筑風(fēng)格，是珠海地區(qū)保存最完整的近代村莊，保留有百年前的建筑樣貌和精美的石雕裝飾，有很高的藝術(shù)價值和保護(hù)意義。

該古建筑地面積約470 m2，為嶺南傳統(tǒng)民居。課題組采用三維激光掃描與無人機(jī)傾斜航攝相結(jié)合的空地一體技術(shù)，建立古建筑數(shù)字化模型，繪制剖面圖、平面圖、立面圖、大樣圖，以解決傳統(tǒng)古建筑基礎(chǔ)資料缺失不利于保護(hù)修復(fù)等問題，為古建筑演變發(fā)展、藝術(shù)研究等內(nèi)涵挖掘之類的后期工作創(chuàng)造條件。本次試驗(yàn)主要設(shè)備包括法如（FARO）S350 和大疆PHANTOM 4 RTK，相關(guān)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 法如（FARO）S350設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters of FARO S350

表2 大疆PHANTOM 4 RTK的相機(jī)參數(shù)Table 2 Camera parameters of PHANTOM 4 RTK

2.2 古建筑室內(nèi)外綜合建模測圖展示

試驗(yàn)對象周邊建筑物與樹木密集，并存在自建夾層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，用激光掃描儀地面作業(yè)，屋頂出現(xiàn)較明顯掃描盲區(qū)，如圖2 所示。從圖3 所示傾斜模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)對比可知：相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失而無法精確體現(xiàn)古建筑屋頂正脊、垂脊等構(gòu)造特征（圖3a）；無人機(jī)傾斜航攝的屋頂模型，構(gòu)件樣式和紋理清晰可辨，但古建筑屋檐下的部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量差(圖3b)。此外，密集排列古建筑側(cè)面有門檐窗檐裝飾，這些在傾斜模型中缺失較多，因而需兩種模式結(jié)合才能完整測圖。

圖2古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.2 Point cloud data of ancient building

圖3 傾斜模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的屋頂對比Fig.3 Roof comparison between oblique model and point cloud data

課題組以激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行剖面圖和室內(nèi)結(jié)構(gòu)大樣圖繪制，而古建筑內(nèi)部石雕、鏤空等較精細(xì)部分借助實(shí)景數(shù)據(jù)，用Adobe Photoshop 調(diào)整尺寸貼合激光點(diǎn)云輔助繪圖。該古建筑梁架模型切片和繪制大樣圖示例見圖4。

2.3 精度分析

為檢驗(yàn)激光掃描三維點(diǎn)云與無人機(jī)航攝傾斜模型融合質(zhì)量，課題組選擇了在兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)中若干典型同名部位進(jìn)行測量比對，其結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)對象均是建筑典型部位，其中最大差絕對值6.1 cm（主屋屋面長度），最小差絕對值0.2 cm（正門門寬），平均差值為2.3 cm。建筑物平面圖、立面圖、剖面圖及大樣圖等土木工程專業(yè)成果中尺寸標(biāo)注，一般都是精確到0.1 m。因此，本文研究提出的亞厘米級激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與厘米級無人機(jī)傾斜航攝建模相結(jié)合，可有效解決古建筑室內(nèi)外綜合建模與工程制圖等應(yīng)用需求。

表3三維激光點(diǎn)云模型與無人機(jī)傾斜模型對比Table 3 Comparison between 3D laser point cloud model and UAV oblique model

圖4 建筑梁架Fig.4 Building beam frame

3 總結(jié)展望

本文提出將三維激光掃描與無人機(jī)傾斜航攝綜合運(yùn)用于古建筑保護(hù)測量，可以實(shí)現(xiàn)較高三維精度和細(xì)節(jié)完整表現(xiàn)能力，提高工作效率的同時做到安全可靠。以會同古巷22號古建筑為例，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為主、無人機(jī)傾斜模型輔助的方式完成古建筑保護(hù)所需平面圖立面圖剖面圖及大樣圖測制，為挖掘古建筑特色、相應(yīng)全息檔案構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

當(dāng)前，城鄉(xiāng)發(fā)展進(jìn)入高質(zhì)量建設(shè)更新的新階段，正在由大拆大建轉(zhuǎn)為存量提質(zhì)改造和增量結(jié)構(gòu)調(diào)整為主，本文提出的三維激光掃描與無人機(jī)傾斜航攝也可以為高質(zhì)量鄉(xiāng)村振興、城市老舊小區(qū)提質(zhì)改造提供高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而如何在密集建筑與樹木遮擋環(huán)境下，高質(zhì)量快速繪制建筑物立面及復(fù)雜檐下構(gòu)件還需要更多研究實(shí)驗(yàn)。