吳奇恒

（上海繼拓土地規(guī)劃設(shè)計(jì)勘測(cè)有限公司，上海 青浦 201700）

1 引言

歷史建筑是城市記憶和文化的積淀，是城市不同發(fā)展階段的縮影，當(dāng)前，優(yōu)秀歷史建筑已成為展示城市形象和文化的重要名片。要想保護(hù)好優(yōu)秀歷史建筑，首先必須收集并建立歷史建筑的結(jié)構(gòu)、圖案信息等檔案數(shù)據(jù)。如何快速、準(zhǔn)確、完整地獲取這些檔案數(shù)據(jù)，是當(dāng)代測(cè)繪工作者必須思考和探索的問題。

傳統(tǒng)歷史建筑建檔測(cè)繪主要采用全站儀、測(cè)距儀等常規(guī)測(cè)量方法采集數(shù)據(jù)，繪制平立剖面圖，對(duì)于建筑的色彩、材質(zhì)、紋理等信息，則拍攝數(shù)碼照片并輔以文字說明的方式來建檔。對(duì)于具有重要文化價(jià)值的典型紋理及圖案信息，一般在數(shù)碼相片上套繪出紋理和圖案，縮放后置于對(duì)應(yīng)平立剖面圖上建檔。這種方式效率低，無法快速、準(zhǔn)確、完整反映歷史建筑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、重要部位的細(xì)節(jié)圖案、材質(zhì)及紋理等信息。

傾斜攝影測(cè)量與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合的測(cè)繪方案，屬于空地一體化的新型測(cè)量模式，可以快速、準(zhǔn)確、完整地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和成圖，是當(dāng)前測(cè)繪技術(shù)條件下可用于歷史建筑測(cè)繪的有效手段。兩種技術(shù)相結(jié)合所獲取的歷史建筑三維模型和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不僅能高效率生產(chǎn)高精度的平立剖面等圖件，而且能詳細(xì)、全面地記錄歷史建筑的風(fēng)格與現(xiàn)狀，可為歷史建筑的保護(hù)和修繕提供可靠依據(jù)[1]。

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

2.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)工作原理

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用無人機(jī)搭載單鏡頭或多鏡頭相機(jī)，從垂直和4 個(gè)側(cè)向角度采集影像數(shù)據(jù)（作業(yè)方式如圖1 所示），同時(shí)記錄獲取影像瞬間的POS數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)人員使用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)影像進(jìn)行處理后，可自動(dòng)化重建實(shí)景三維模型。通用格式的實(shí)景三維模型可導(dǎo)入各類GIS 平臺(tái)，有著豐富的專業(yè)化應(yīng)用方向，既可為城市規(guī)劃、建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供三維數(shù)據(jù)支撐，也可為政府管理部門提供可視化、直觀化的決策依據(jù)。無人機(jī)搭載的鏡頭可以獲取至少兩個(gè)已知航點(diǎn)上的、不同角度的地物影像，通過傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)影像上的每個(gè)同名像點(diǎn)進(jìn)行三角運(yùn)算，可以得到地物點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，首先由海量的地物點(diǎn)組成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成密集三角網(wǎng)，再由密集三角網(wǎng)構(gòu)成白膜，最后使用影像對(duì)白膜進(jìn)行紋理映射，生成實(shí)景三維模型。

圖1 傾斜攝影測(cè)量

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）高效率、生產(chǎn)成本低

傾斜攝影測(cè)量適合較大面積的地形、地物測(cè)繪，采用自動(dòng)化建模技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，具有更高的生產(chǎn)效率和更低的作業(yè)成本。

（2）高精度

合理的數(shù)據(jù)采集方法、規(guī)范布置像控點(diǎn)、無人機(jī)免像控技術(shù)能夠使傾斜模型具有較高的精度，平面中誤差可以控制在5cm 之內(nèi)，高程中誤差能控制在10cm之內(nèi)。

（3）真實(shí)感

相比于傳統(tǒng)的線劃圖和人工建模，傾斜模型能夠完美還原現(xiàn)狀地物的色彩、形狀和細(xì)節(jié)，具有更高的真實(shí)感。

3 三維激光掃描技術(shù)

3.1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，利用高速激光掃描測(cè)量方法，可大面積、高分辨率、快速獲取歷史建筑表面和內(nèi)部各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、色彩等數(shù)據(jù)信息，可快速重建1∶1 真彩色三維點(diǎn)云模型。三維激光掃描儀工作原理為激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)地物表面漫反射后，沿原路徑傳回接收器，可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀的距離S，控制器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β。三維激光掃描測(cè)量的坐標(biāo)系一般為儀器自定義坐標(biāo)系，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲取目標(biāo)點(diǎn)P坐標(biāo)的幾何原理，如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描儀獲取目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)原理

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)具有速度快、精度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。采用三維激光掃描儀對(duì)建筑物室內(nèi)外進(jìn)行掃描，無須接觸，便能得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，直觀且形象展現(xiàn)建筑物的立體模型。三維激光掃描技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于建筑測(cè)繪、建模、立面改造等領(lǐng)域，為歷史建筑復(fù)雜的測(cè)量問題提供了全新的解決方案[2]。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目背景

本次實(shí)驗(yàn)以位于上海市青浦區(qū)朱家角古鎮(zhèn)的仲宅為例，仲宅位于朱家角古鎮(zhèn)歷史風(fēng)貌區(qū)南部勝利街民居群中，是“二埭二井一花園”的院落式民宅，由清末秀才仲乾清所建，堪稱當(dāng)時(shí)朱家角鎮(zhèn)第一豪宅。近年來，由于房屋不斷修繕，仲宅局部構(gòu)件的布局和材質(zhì)改動(dòng)較大，急需快速、精準(zhǔn)且完整地獲取該建筑保護(hù)建檔數(shù)據(jù)，為有關(guān)部門保護(hù)和修繕歷史建筑提供直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。通過多種測(cè)繪方案的對(duì)比，最終確定采用傾斜攝影測(cè)量與三維激光掃描相結(jié)合的測(cè)繪技術(shù)方案，詳細(xì)技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3 技術(shù)路線

4.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與處理

位于上海市青浦區(qū)朱家角古鎮(zhèn)的優(yōu)秀歷史建筑一共有7 處，而且分布相對(duì)比較集中?？紤]到古鎮(zhèn)面積不大（約1.5 km2），為了整體掌握古鎮(zhèn)的建筑群形態(tài)和各優(yōu)秀歷史建筑的分布位置、周邊建筑分布情況，需要對(duì)大范圍的古鎮(zhèn)區(qū)進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與三維建模。外業(yè)采用大疆M300RTK 無人機(jī)掛載賽爾102s V2 五鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過適當(dāng)降低航高（相對(duì)航高100m）、增大航向與旁向重疊度（航向85%、旁向80%）、降低航線速度、合理規(guī)劃航線和設(shè)置航線外擴(kuò)距離等方式，提高影像的采集質(zhì)量，最終獲得地面平均分辨率為1.6cm 的影像數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，考慮到地理信息數(shù)據(jù)的安全性和保密性原則，采用了國產(chǎn)單機(jī)版軟件“大疆智圖測(cè)繪版”進(jìn)行實(shí)景三維模型重建。

考慮到古鎮(zhèn)范圍內(nèi)建筑較為密集，各優(yōu)秀歷史建筑與相鄰建筑的間隙較小，傾斜攝影測(cè)量時(shí)存在地物相互遮擋、固定相機(jī)角度下有攝影盲區(qū)的問題，對(duì)此，在具備飛行條件且保證安全的前提下，采用大疆精靈4RTK 無人機(jī)斜面航線規(guī)劃功能對(duì)建筑立面等進(jìn)行貼近攝影測(cè)量，以彌補(bǔ)傾斜攝影測(cè)量的不足。

通過對(duì)傾斜攝影航線與貼近航攝采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，可以更清晰地呈現(xiàn)模型外立面細(xì)節(jié)，改善模型的扭曲變形，減少拉花現(xiàn)象，數(shù)據(jù)融合前后的效果如圖4 所示。但這種方法往往需要在傾斜攝影航線與斜面規(guī)劃航線之間加飛航線，且加飛航線時(shí)應(yīng)保證相鄰航線的影像地面分辨率（GSD）差不超過2 倍，如首飛傾斜攝影航線高度為100m 時(shí)，加飛航線與首飛傾斜攝影航線和貼近攝影航線的高差應(yīng)不超過50m，否則會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)融合失敗的現(xiàn)象。

圖4 數(shù)據(jù)融合前后的效果

4.3 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的采集與處理

對(duì)于受限于貼近飛行條件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，采用三維激光掃描儀進(jìn)行全方位掃描。在三維激光掃描之前，需要先踏勘現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)歷史建筑的總體情況、構(gòu)件的材質(zhì)和色彩屬性、政府保護(hù)與修繕工作對(duì)數(shù)據(jù)的需求等進(jìn)行總體把控。然后以傾斜攝影測(cè)量所用的控制網(wǎng)為基準(zhǔn)開展掃描工作，以便于數(shù)據(jù)的融合處理。對(duì)于狹小空間等無架站條件的區(qū)域和位于架站式掃描盲區(qū)的區(qū)域，則輔以手持式三維激光掃描儀補(bǔ)充采集數(shù)據(jù)[3]。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，內(nèi)業(yè)需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云去噪和點(diǎn)云抽稀等內(nèi)容。點(diǎn)云配準(zhǔn)是將不同視角下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，獲得建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云去噪是將目標(biāo)建筑物以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去除。點(diǎn)云抽稀是按照一定規(guī)則，減少點(diǎn)云數(shù)量，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率［4］。經(jīng)過點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪、抽稀操作后，可得到直觀、準(zhǔn)確且數(shù)據(jù)量適中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.4 數(shù)據(jù)融合處理

由無人機(jī)傾斜攝影與貼近攝影測(cè)量得到的點(diǎn)云模型缺少歷史建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和屋檐下方部分構(gòu)造及墻體數(shù)據(jù)，而三維激光掃描得到的點(diǎn)云模型則缺少部分歷史建筑外立面及屋頂數(shù)據(jù)［5］。將兩種點(diǎn)云模型進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)結(jié)合、缺點(diǎn)互補(bǔ)，能完整、逼真反映并留存歷史建筑的整體及細(xì)節(jié)現(xiàn)狀，進(jìn)一步減少、消除實(shí)景三維模型的拉花、變形和空洞現(xiàn)象。

融合建模的關(guān)鍵點(diǎn)是將無人機(jī)傾斜攝影和貼近攝影測(cè)量密集匹配過程中產(chǎn)生的點(diǎn)云模型與三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，同時(shí)作為三維模型幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)源，融合建模過程中應(yīng)保證激光點(diǎn)云和傾斜攝影匹配點(diǎn)云密度基本一致，以保證較好的融合效果，為后續(xù)應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)融合后的立面點(diǎn)云模型如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合后的立面點(diǎn)云模型

4.5 建筑圖件的繪制

基于融合后的點(diǎn)云模型和實(shí)景三維模型可以方便、準(zhǔn)確地繪制出歷史建筑平立剖面及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等圖件?？衫L制的圖件主要包括總平面圖、單體平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖和細(xì)部大樣圖等。首先通過點(diǎn)云后處理軟件將融合后的點(diǎn)云在不同視角進(jìn)行裁切和切片處理，然后將點(diǎn)云切片TIF 數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoDesk CAD軟件，按照法式測(cè)繪原則，參考實(shí)景三維模型，依次繪制歷史建筑保護(hù)存檔、改造設(shè)計(jì)所需的前述各類圖件［1］。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)繪制的一層平面圖和建筑立面圖如圖6 所示。

圖6 一層平面圖

4.6 精度分析

為了檢查歷史建筑圖件的繪制精度，在AutoDesk CAD 中量取建筑物某些門、窗、柱等特征部位的長度，再利用手持激光測(cè)距儀實(shí)際測(cè)量這些部位的長度，將量取長度值與實(shí)際測(cè)量的長度值進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 特征部位長度值對(duì)比

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，特征部位的長度最大差值為0.011m，最小差值為0.003m，精度結(jié)果比較理想。

5 結(jié)束語

傾斜攝影測(cè)量與三維激光掃描技術(shù)在不接觸歷史建筑的條件下，能快速采集建筑表面和內(nèi)部大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，并通過實(shí)景建模軟件，快速復(fù)建建筑的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。這種方式在提供歷史建筑準(zhǔn)確平立剖面等存檔圖件基礎(chǔ)上，增加了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，豐富了數(shù)據(jù)成果形式,可為有關(guān)單位保護(hù)、修繕和復(fù)原歷史建筑提供翔實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，也為優(yōu)秀歷史建筑保護(hù)測(cè)繪工作提供了新思路。