黃 芳

（景德鎮(zhèn)市不動(dòng)產(chǎn)登記中心 江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

歷史建筑是人類文化遺產(chǎn)中不可或缺的一部分，它們具有豐富的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。但由于年代久遠(yuǎn)、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，歷史建筑的測繪和修復(fù)工作一直是一個(gè)難題。傳統(tǒng)的建筑測繪方法需要大量的人力物力，而且很難達(dá)到高精度的要求[1]。因此，尋找一種新的測繪方法是非常必要的。無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)作為新興的測繪手段，具有高精度、高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2 無人機(jī)對歷史建筑三維數(shù)字掃描的流程

2.1 規(guī)劃飛行路徑

規(guī)劃飛行路徑是無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)的關(guān)鍵步驟之一，其目的是為了保證掃描結(jié)果的全面性，以最大程度地覆蓋建筑物的各個(gè)角度，便于獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。以下是規(guī)劃飛行路徑的基本要點(diǎn)：

（1）建筑物形狀和大?。涸谥贫w行路徑時(shí)，需要考慮建筑物的形狀和大小，選擇最佳的拍攝角度和高度[2]。通常，較大的建筑物需要更高的飛行高度和更廣的覆蓋范圍，以便完整地捕捉建筑物外觀、位置和頂部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征。

（2）航線密度：合理的航線密度可以保證掃描結(jié)果的精度和全面性。航線過于稀疏，會(huì)導(dǎo)致重疊區(qū)域不足或者數(shù)據(jù)缺失；航線過于密集，則可能會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和資源。

（3）飛行速度：飛行速度對掃描效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量有影響。較慢的飛行速度可以提高數(shù)據(jù)采集的精度和清晰度，但也會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間和成本。較快的飛行速度可以提高掃描效率，但可能會(huì)降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（4）天氣條件：無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)對天氣條件有一定要求。一般而言，天空晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)的日子是最適合進(jìn)行建筑物掃描的。遇到陰雨或強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣，應(yīng)暫停掃描工作以確保飛行安全。

規(guī)劃飛行路徑是無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)中非常重要的一環(huán)。只有充分考慮建筑物的實(shí)際情況，選定合理的飛行路徑，才能夠獲得高質(zhì)量的掃描數(shù)據(jù)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和模型生成奠定基礎(chǔ)。

2.2 進(jìn)行航空攝影

進(jìn)行航空攝影是無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)的核心步驟之一，其目的是獲取建筑物的影像數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通常情況下，無人機(jī)進(jìn)行航空攝影可以采用垂直拍攝、斜向拍攝和紅外拍攝等多種方式。選擇不同的拍攝方式，可以獲得不同視角下的建筑影像數(shù)據(jù)，從而提高測量精度和可視化效果。拍攝間距是指相鄰照片之間的重疊部分。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的三維模型，相鄰照片之間需要有適當(dāng)?shù)闹丿B，重疊率必須達(dá)到30%以上，通常建議達(dá)到50%左右[3]。此外，建議無人機(jī)采用GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位和控制，以確保飛行路徑的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[4]。在進(jìn)行航空攝影時(shí)，需要遵守相關(guān)法規(guī)和安全規(guī)范，確保無人機(jī)、相機(jī)和傳感器等設(shè)備的安全。特別是在城市區(qū)域或高層建筑附近，需要注意避免與其他飛行物體發(fā)生碰撞。只有在正確設(shè)置照相機(jī)參數(shù)、控制飛行姿態(tài)和速度、遵守安全規(guī)范等前提下，才能夠獲得高質(zhì)量的建筑影像數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和模型生成做好準(zhǔn)備。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)中非常重要的一步，其目的是將航空攝影獲取到的影像數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的三維模型。首先需要將航空攝影獲取到的照片、圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，存儲在本地或云端數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，需要檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量并進(jìn)行必要的校正等操作[5]。其次，對于從不同角度拍攝的建筑數(shù)據(jù)，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)以確保數(shù)據(jù)的一致性和連續(xù)性。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)包括相鄰照片間的匹配、點(diǎn)云間的配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等操作，在此基礎(chǔ)上將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分割、重構(gòu)等操作，生成高精度的三維點(diǎn)云模型。點(diǎn)云處理的目的是去除噪點(diǎn)、填補(bǔ)缺失區(qū)域、提高點(diǎn)云密度等[6]。最后，對航空攝影獲得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、統(tǒng)計(jì)、配準(zhǔn)等操作，生成高質(zhì)量的影像紋理貼圖，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像貼圖結(jié)合，借助三維重建軟件生成可視化的三維模型。根據(jù)需要，對三維模型進(jìn)行編輯、修補(bǔ)、精細(xì)化設(shè)計(jì)等操作，以獲得最終的模型效果。

2.4 提取平面圖

通過無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)對歷史建筑進(jìn)行測繪應(yīng)用研究，可以生成高精度的三維模型，而在一些需要平面圖的應(yīng)用場景中，也需要從三維模型中提取出相應(yīng)的平面圖。首先，用三維建模軟件，將三維模型按照需要的切割線進(jìn)行分割，生成樓層、房間等區(qū)域。在分割好的區(qū)域內(nèi)，提取出每個(gè)區(qū)域的輪廓線。這一步通?？梢酝ㄟ^邊緣檢測算法來實(shí)現(xiàn)[7]。利用輪廓線，將各個(gè)區(qū)域的平面圖進(jìn)行拼接。這一步通常需要借助于點(diǎn)云軟件和繪圖軟件及圖像處理軟件等。在完成平面圖的初步生成后，還需要對其進(jìn)行校正和調(diào)整。包括調(diào)整比例尺寸、修復(fù)缺陷、添加標(biāo)注等操作。通過無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)生成平面圖，不僅可以提高平面圖的精度和準(zhǔn)確性，還可以為后續(xù)的應(yīng)用場景提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持[8]，在歷史建筑文物保護(hù)、修復(fù)、重建和展示等方面都具有廣泛應(yīng)用前景。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

景德鎮(zhèn)市作為中國首批歷史文化名城，市政府先后公布了兩批次重要?dú)v史建筑113 棟，劃定了歷史街區(qū)6 個(gè)，位于景德鎮(zhèn)市陶陽里御窯景區(qū)的湖口會(huì)館是其中的一處典型代表。為加強(qiáng)歷史建筑保護(hù)，延續(xù)城市文脈，進(jìn)一步體現(xiàn)千年瓷都的歷史自覺和文化自信，政府采取了系列先進(jìn)測繪技術(shù)開展數(shù)字建檔工作。

湖口會(huì)館作為一項(xiàng)文物保護(hù)和修復(fù)工程，運(yùn)用了地面三維激光掃描技術(shù)配合無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)，提高了文物保護(hù)的精度和準(zhǔn)確性，同時(shí)為后續(xù)的修復(fù)、重建和展示提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。湖口會(huì)館的測繪主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜：湖口會(huì)館是一座傳統(tǒng)的中式建筑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用傳統(tǒng)測繪工具難以獲取到精確的建筑信息，而無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)能夠有效地解決這個(gè)問題。

（2）傳統(tǒng)測繪方式效率低：傳統(tǒng)的測繪方式需要人工登高、懸垂等操作，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在安全隱患。使用無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地完成測繪任務(wù)，并避免了人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

（3）文物保護(hù)需求：湖口會(huì)館是一處具有較高文化價(jià)值的歷史建筑，需要進(jìn)行有效地保護(hù)和修復(fù)。通過無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)對湖口會(huì)館進(jìn)行測繪，可以為后續(xù)的文物保護(hù)、修復(fù)和展示提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（4）維護(hù)城市形象：湖口會(huì)館所在區(qū)域是景德鎮(zhèn)市的重要景點(diǎn)，具有一定的城市形象代表意義。通過無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)對湖口會(huì)館進(jìn)行測繪應(yīng)用研究，可以提高該地區(qū)的景觀質(zhì)量，增強(qiáng)城市形象的吸引力。

3.2 測繪工作流程

通過無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)對湖口會(huì)館進(jìn)行測繪應(yīng)用研究的基本步驟如下：

（1）提前勘探，并規(guī)劃飛行路徑：在確定使用無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)進(jìn)行測繪后，需要規(guī)劃好航線和制訂飛行計(jì)劃。根據(jù)湖口會(huì)館的實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)呐臄z角度和高度等參數(shù)，設(shè)計(jì)合理的飛行路徑。湖口會(huì)館坐標(biāo)如表1 所示，湖口會(huì)館周圍關(guān)系如圖1所示。

圖1 湖口會(huì)館周圍關(guān)系

表1 湖口會(huì)館坐標(biāo)

（2）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：利用無人機(jī)在規(guī)劃好的飛行路徑上進(jìn)行航空攝影，獲取湖口會(huì)館的影像數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在航空攝影過程中，需要注意保證無人機(jī)的安全，并確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和連續(xù)性。湖口會(huì)館設(shè)計(jì)無人機(jī)掃描線路如圖2所示。

圖2 無人機(jī)掃描線路

（3）數(shù)據(jù)處理：將航空攝影獲取到的影像數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云處理、影像處理的操作，生成高精度的三維模型。湖口會(huì)館無人機(jī)點(diǎn)云質(zhì)量圖如圖3所示。

圖3 無人機(jī)點(diǎn)云質(zhì)量

（4）模型優(yōu)化和設(shè)計(jì)：在完成三維模型的基礎(chǔ)構(gòu)建后，需要對其進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。根據(jù)湖口會(huì)館的實(shí)際情況，調(diào)整模型比例、增加細(xì)節(jié)，以獲得更真實(shí)、更準(zhǔn)確的建筑模型。湖口會(huì)館三維模型預(yù)覽圖如圖4所示。

圖4 三維模型預(yù)覽圖

（5）繪制平面圖：通過在三維模型中提取平面數(shù)據(jù)，繪制湖口會(huì)館的平面圖。湖口會(huì)館測繪得到的屋頂平面圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

無人機(jī)三維數(shù)字掃描技術(shù)是一種非常有效的歷史建筑測繪方法，具有高精度、高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在本次實(shí)踐應(yīng)用中精度達(dá)到毫米級，可以為歷史建筑的保護(hù)與修復(fù)工作提供有力的支持。在工作實(shí)踐中，該技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生更多的應(yīng)用價(jià)值。