王新宇　張智超

摘要：目的：傳統(tǒng)的建筑三維建模方法在處理古建筑時(shí)面臨諸多限制，如范圍小、細(xì)節(jié)豐富且復(fù)雜，難以獲得高質(zhì)量的模型。因此，文章旨在探索一種新的方法來創(chuàng)建精細(xì)且逼真的古建筑三維模型，從而更好地推進(jìn)歷史建筑的維護(hù)、修復(fù)和展示工作，同時(shí)也為城市規(guī)劃和歷史文化街區(qū)的保護(hù)提供重要參考。方法：文章采用結(jié)合傾斜攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量的方法，利用這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來克服傳統(tǒng)方法的局限性。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠從多個(gè)角度捕捉建筑的影像，有助于獲得更全面的視角和信息。近景攝影測(cè)量則專注于建筑的細(xì)節(jié)，能夠提供高精度的數(shù)據(jù)。結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)，可以獲得更加全面和精確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維建模打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。結(jié)果：通過精細(xì)的影像匹配和點(diǎn)云技術(shù)，成功創(chuàng)建靈巖寺辟支塔的精細(xì)三維模型。這一模型不僅精度高，而且細(xì)節(jié)豐富，完整展現(xiàn)了古建筑的特色。此外，使用先進(jìn)的軟件工具，有效優(yōu)化了建模流程，建模的效率和質(zhì)量大大提高。結(jié)論：研究證明了傾斜攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量相結(jié)合的方法在古建筑三維建模方面的有效性和實(shí)用性。這種方法不僅提高了模型的總體精度，還優(yōu)化了建模流程，為歷史建筑的保護(hù)、維護(hù)和展示提供了新的技術(shù)路徑。此外，該方法還可以廣泛應(yīng)用于類似的歷史文化街區(qū)規(guī)劃和保護(hù)工作中，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。通過這種技術(shù)，可以更好地保護(hù)和傳承珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，為后代留下寶貴的資源。

關(guān)鍵詞：古建筑測(cè)繪；實(shí)景三維重建；單體化建模；智能化測(cè)繪

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）05-0-05

0 引言

歷史古建筑是時(shí)代的符號(hào)、文化的沉淀，極具藝術(shù)、歷史、科研價(jià)值。歷史古建筑測(cè)繪是歷史古建筑保護(hù)和利用工作中重要的基礎(chǔ)性工作，主要是通過對(duì)歷史古建筑進(jìn)行信息采集和記錄，獲取完整的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)字建檔、模型建立以及GIS地理信息服務(wù)平臺(tái)建立等，為歷史古建筑改造、修繕、重建、合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)歷史文化街區(qū)和歷史建筑保護(hù)工作的通知》［1］，需要詳細(xì)測(cè)量和繪制山東省的古代建筑，并確保每一棟古建筑都有一份專屬的測(cè)繪記錄歸檔。這些測(cè)繪記錄不僅能夠用于建立和維護(hù)古建筑的數(shù)字化檔案，還能在古建筑遷移、重建以及修復(fù)其核心文化元素等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用［2］。當(dāng)前，中國在古建筑測(cè)繪領(lǐng)域的研究還處于初級(jí)階段。傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)存在一定的局限，尤其是在滿足全域、全息和全空間數(shù)據(jù)結(jié)果方面的技術(shù)需求上，傳統(tǒng)方法表現(xiàn)出明顯的不足［3］。隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑信息的感知需求進(jìn)一步增加，以無人機(jī)遙感技術(shù)為代表的新一代測(cè)繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。采用尖端技術(shù)的新興測(cè)繪方法，通過在多維空中平臺(tái)上安裝激光雷達(dá)和影像傳感器，能夠主動(dòng)精準(zhǔn)捕捉和記錄地表及地物的確切位置、幾何形態(tài)以及紋理細(xì)節(jié)。利用這種技術(shù)能夠有效獲取關(guān)于地表的詳盡信息，為地圖制作和地理信息系統(tǒng)提供高精度的數(shù)據(jù)支持。它以高精度定位、高動(dòng)態(tài)范圍、大覆蓋范圍為主要優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量歷史資料及文物建筑信息的高效快速采集與處理［4］。這些數(shù)據(jù)成果廣泛涵蓋多平臺(tái)的激光點(diǎn)云以及各類影像數(shù)據(jù)，不僅標(biāo)志著其在數(shù)據(jù)收集、數(shù)字化管理和綜合應(yīng)用方面的多功能性［5］，還證明其在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中具有深度利用的可能性。包括但不限于三維場(chǎng)景重建、高精度地圖制作和文物保護(hù)等，都深刻體現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用價(jià)值［6］。

本文基于實(shí)景三維的建設(shè)背景，針對(duì)由多種測(cè)繪方案收集的多源數(shù)據(jù)，深度洞察各種技術(shù)的特性。結(jié)合傾斜攝影測(cè)量和近景攝影測(cè)量，以及對(duì)圖像三維重建技術(shù)的運(yùn)用，為歷史建筑的三維模型構(gòu)建提供可能。

1 實(shí)景三維建模發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 政策支持

2018年3月，第十三屆全國人大第一次會(huì)議通過了有關(guān)國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革的決議，并正式批準(zhǔn)中華人民共和國自然資源部的成立［7］。隨著國家治理體系治理能力現(xiàn)代化步伐的不斷加快，數(shù)字城市已成為新時(shí)代社會(huì)發(fā)展與創(chuàng)新的重要內(nèi)容之一。全國范圍內(nèi)的測(cè)繪業(yè)務(wù)逐步與“兩統(tǒng)一”自然資源管理模式的融合，對(duì)實(shí)景三維中國的構(gòu)建提出具體且迫切的需要。國家層面對(duì)于地理信息數(shù)據(jù)的更新周期不斷縮短，如何利用先進(jìn)技術(shù)加快推進(jìn)自然資源信息化建設(shè)成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。2018年4月，在執(zhí)行對(duì)海南省的行業(yè)調(diào)研期間，自然資源部部長(zhǎng)陸昊明確指出一項(xiàng)要求——將自然資源的登記以及相關(guān)系統(tǒng)從目前運(yùn)用的二維框架更新轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)。施行這一措施的目的是應(yīng)對(duì)自然資源調(diào)研、產(chǎn)權(quán)確認(rèn)和國土空間規(guī)劃管理等核心問題。2019年2月，全國國土測(cè)繪工作座談會(huì)在北京召開，會(huì)上提出2020年開始“十四五”基礎(chǔ)測(cè)繪規(guī)劃編制的計(jì)劃，并確立構(gòu)建“實(shí)景三維中國”的目標(biāo)。2020年10月的研討會(huì)上，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)基礎(chǔ)發(fā)展、加速基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型升級(jí)、積極推動(dòng)新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)、迅速實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維中國的構(gòu)建以及推進(jìn)全球地理信息資源建設(shè)的重要性［8］。此外，2021年2月《自然資源部辦公廳關(guān)于印發(fā)<自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案>的通知》（自然資辦發(fā)〔2021〕21號(hào)）［9］詳細(xì)闡述了自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)、數(shù)據(jù)構(gòu)建的技術(shù)規(guī)范以及數(shù)據(jù)庫建立和整合集成的方法等關(guān)鍵要點(diǎn)，為構(gòu)建自然資源三維數(shù)據(jù)模型提供了技術(shù)指南，并進(jìn)一步強(qiáng)化了以高質(zhì)量自然資源管理促進(jìn)發(fā)展的工作指標(biāo)。自然資源部采取了一系列密集而有序的行動(dòng)（見圖1），充分展示了其致力于構(gòu)建實(shí)景三維中國的堅(jiān)定決心。實(shí)景三維中國的建設(shè)已經(jīng)變成我國測(cè)繪技術(shù)從二維向三維轉(zhuǎn)變和升級(jí)的不可避免的路徑。

1.2 古建筑智能化測(cè)繪工作方法發(fā)展歷程

隨著科技的進(jìn)步，歷史古建筑測(cè)繪從初始的手工測(cè)量法，到后期采用全站儀、測(cè)距儀、鋼尺等人工測(cè)繪工具獲取建筑測(cè)量信息的測(cè)記法。數(shù)據(jù)采集和處理雖簡(jiǎn)單，但需消耗大量人力，且所獲成果以平面、立面和剖面圖紙為主，形式較為單一。如今，傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、貼近攝影測(cè)量等新測(cè)繪技術(shù)全面發(fā)展，為歷史古建筑保護(hù)工作提供了更加機(jī)動(dòng)、靈活和高效的智能化測(cè)繪手段［10］。

其中，傾斜攝影測(cè)量主要是采用無人機(jī)低空航拍獲取建筑真實(shí)影像，通過構(gòu)建實(shí)景三維模型反映建筑全貌，測(cè)量效率高；三維激光掃描是一種通過非接觸式測(cè)量即可瞬間獲取被測(cè)物體大量物理信息和幾何信息的方法，數(shù)據(jù)精度可達(dá)毫米級(jí)；貼近攝影測(cè)量技術(shù)則基于無人機(jī)集成RTK厘米級(jí)高精度定位技術(shù)，通過云臺(tái)精準(zhǔn)控制相機(jī)俯仰角和旋轉(zhuǎn)角，對(duì)非常規(guī)地面或者人工物體表面進(jìn)行貼近飛行，高效獲取厘米甚至毫米級(jí)別分辨率影像。結(jié)合以上智能化測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能夠全方位獲取復(fù)雜歷史古建筑的測(cè)繪信息，實(shí)現(xiàn)歷史古建筑精細(xì)化、結(jié)構(gòu)化、內(nèi)外一體的高精度數(shù)字化重建。

1.3 智能化實(shí)景三維技術(shù)針對(duì)塔類古建筑測(cè)繪的優(yōu)勢(shì)

塔類建筑的建筑本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建筑高度高，周邊地形多變，環(huán)境不易控制，當(dāng)下對(duì)建筑表面色彩、圖像、紋理特點(diǎn)等細(xì)節(jié)特征的采集要求不斷提高，在綜合考量模型質(zhì)量、人力成本、技術(shù)難度、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)安全等多方因素下，采用輕型無人機(jī)（見圖2）并配備相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影以構(gòu)建三維實(shí)景模型，這種方法具有很高的性價(jià)比。該方法適用多種形態(tài)的建筑，且能克服塔類建筑高度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外部數(shù)據(jù)不易獲取等困難。同時(shí)，使用無人機(jī)智能化的測(cè)繪技術(shù)，操作員可免于在現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)操作，可以專注于觀察采集信息質(zhì)量。最后利用傾斜攝影技術(shù)采集的影像數(shù)據(jù)，使用ContextCapture、MetashapePro等實(shí)景三維建模軟件進(jìn)行多角度有序影像的三維重建以實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑的三維建模，建模完成后可以依據(jù)實(shí)景修復(fù)、完善目標(biāo)模型，也可以作為數(shù)據(jù)源應(yīng)用于其他古建筑數(shù)字化項(xiàng)目中［11］。

2 古建筑智能化測(cè)繪工作的技術(shù)流程

2.1 前期準(zhǔn)備工作

在測(cè)繪靈巖寺的辟支塔之前，首先要對(duì)其進(jìn)行初步調(diào)查和評(píng)估，了解現(xiàn)場(chǎng)的基本情況和測(cè)繪的復(fù)雜性。根據(jù)前期準(zhǔn)備信息可知，靈巖寺辟支塔是一座八角九層十二檐的樓閣式磚砌建筑（見圖3），主要特點(diǎn)在于其有重檐，屬于密檐樓閣式建筑結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)獨(dú)此一例。辟支塔區(qū)域周邊已開發(fā)為風(fēng)景區(qū)，周邊空間狹小，一側(cè)為山地地形并有茂密植被覆蓋，不利于人工勘測(cè)，塔身較高且細(xì)節(jié)豐富，高處塔檐的觀測(cè)難度極大。前期準(zhǔn)備工作不僅能提升測(cè)繪工作的效率，還能為后續(xù)的測(cè)繪任務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

現(xiàn)場(chǎng)踏勘的目的是詳細(xì)了解歷史古建筑所處位置的地形、建筑特色和現(xiàn)狀，以及古塔周邊環(huán)境。采用無人機(jī)進(jìn)行環(huán)繞飛行獲取低分辨率影像，得到歷史古建筑粗略的地形三維模型。結(jié)合單反相機(jī)拍攝辟支塔細(xì)部特色（見圖4），全面了解歷史古建筑的現(xiàn)狀和采集建模難度。

2.3 方案制定與數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)階段數(shù)據(jù)采集方法主要分為無人機(jī)貼近攝影測(cè)量、架站式激光掃描測(cè)量。

無人機(jī)貼近攝影測(cè)量以無人機(jī)搭載P1單鏡頭相機(jī)進(jìn)行貼近攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集（見圖5）?；跍y(cè)區(qū)踏勘時(shí)期獲得的粗略地形三維模型進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，以保證無人機(jī)貼近飛行的安全性和成果精度。航線主要包括塔身環(huán)繞貼近，山墻、屋脊立面等貼近敷設(shè)。在保證飛行安全的情況下，無人機(jī)航線至建筑物貼近距離最小可達(dá)5米。

2.4 高精度模型生成

采用三維建模軟件對(duì)環(huán)繞、立面等貼近拍攝的影像進(jìn)行自動(dòng)、快速實(shí)景三維建模，結(jié)合Agisoft MetashapePro軟件進(jìn)行局部編輯及優(yōu)化，完成對(duì)辟支塔三維模型精細(xì)化修飾。

2.4.1 對(duì)齊照片

在對(duì)齊照片的過程中，首先依據(jù)各點(diǎn)之間的相對(duì)位置來確定相機(jī)的拍攝地點(diǎn)和基本矩陣，接著根據(jù)特征點(diǎn)的確切位置來調(diào)整相機(jī)的位置，并據(jù)此產(chǎn)生稀疏的點(diǎn)云信息。在MetashapePro的“工作流程”部分，選擇“對(duì)齊照片”選項(xiàng)，并根據(jù)用戶的具體需求，選擇對(duì)齊照片的輸出品質(zhì)（見圖6）。

2.4.2 調(diào)整建模區(qū)域

在進(jìn)行照片對(duì)齊的過程中，軟件會(huì)進(jìn)行匹配以生成點(diǎn)云，因此生成的稀疏點(diǎn)云區(qū)域相對(duì)較大。利用建模初期獲得的稀疏點(diǎn)云，在Metashape操作欄中選擇“調(diào)整區(qū)域大小”，通過軌跡球調(diào)整建模區(qū)域核心位置。為了保證模型能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)建模區(qū)域的寬度與高度，本文基于特征識(shí)別算法來快速精確地定位與重建密集點(diǎn)陣模型。在接下來的模型構(gòu)建階段，僅專注于處理模型區(qū)內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以確保生成的高密度點(diǎn)云主要集中在關(guān)鍵區(qū)域，避免由于區(qū)域過大或未生成高密度點(diǎn)云而導(dǎo)致建模時(shí)間延長(zhǎng)的問題。框選更精確的區(qū)域可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立渲染，框選區(qū)域越大，則耗時(shí)越長(zhǎng)（見圖7）。

2.4.3 生成密集點(diǎn)云

在后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)和紋理生成過程中，主要依賴密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些密集的點(diǎn)云為后續(xù)模型的構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，為了確保模型紋理的清晰度、結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和較高的精度，在構(gòu)建密集點(diǎn)云時(shí)，必須確保點(diǎn)云的準(zhǔn)確性和清晰度。在創(chuàng)建高密度的點(diǎn)云模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)模型重構(gòu)所需的實(shí)際成果和精確度標(biāo)準(zhǔn)來挑選合適的質(zhì)量選項(xiàng)。由于生成密集點(diǎn)云是模型重構(gòu)過程中最耗時(shí)的步驟，即便兩種參數(shù)生成的結(jié)果相似，所需的時(shí)間可能也會(huì)有很大的差異，因此應(yīng)選擇建模時(shí)間較短的參數(shù)來生成密集點(diǎn)云（見圖8）。

2.4.4 生成含紋理模型

在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上生成渲染模型，同時(shí)生成網(wǎng)格和紋理，在MetashapePro“工作流程”中選擇“建立瓦片模型（Build Tiled Model）”，并根據(jù)所需要精度的貼片質(zhì)量，貼片質(zhì)量越高則模型細(xì)節(jié)越多，反之模型細(xì)節(jié)越少。相比傳統(tǒng)建模方法，其可以在節(jié)約大量時(shí)間的基礎(chǔ)上獲得材質(zhì)更還原的模型（見圖9）。

2.4.5 歷史古建筑數(shù)字化測(cè)繪圖制作

歷史古建筑數(shù)字化測(cè)繪圖包括平面圖、立面圖、剖面圖以及詳圖等，可以基于無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的建筑精細(xì)化實(shí)景三維模型和貼近攝影測(cè)量與激光掃描融合的點(diǎn)云模型，進(jìn)行抽稀、點(diǎn)云正射、切片處理后直接繪制（見圖10、圖11）。

采用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)手段測(cè)繪歷史古建筑，其效率、精度以及取得的數(shù)據(jù)成果難以滿足新時(shí)期測(cè)繪地理信息行業(yè)對(duì)歷史古建筑精細(xì)化重建的需求?？紤]到歷史古建筑的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特性，綜合應(yīng)用傾斜攝影、貼近攝影測(cè)量和輔助的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，可以獲取建筑室內(nèi)外毫米級(jí)精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)彌補(bǔ)辟支塔頂部細(xì)節(jié)及高處缺失的點(diǎn)云，為歷史古建筑測(cè)繪和保護(hù)提供精細(xì)化的數(shù)據(jù)保障。

3 結(jié)語

本文以濟(jì)南市靈巖寺辟支塔為例，采用影像匹配點(diǎn)云和激光點(diǎn)云融合后構(gòu)建建筑物精細(xì)模型的方法，探索傾斜攝影與照片三維重建技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并細(xì)致優(yōu)化建模過程，這不僅提高了部件級(jí)別精細(xì)模型的整體精確度，還為古建筑提供了結(jié)構(gòu)化和語義化的描述。

鑒于山東省歷史建筑的地理位置和其獨(dú)有的特點(diǎn)，采納了多種前沿的技術(shù)手段，為山東省歷史建筑的數(shù)字化檔案建設(shè)提供了數(shù)據(jù)支持。除此之外，也對(duì)歷史建筑測(cè)繪的標(biāo)準(zhǔn)和成果的歸檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的研究。建立完善的數(shù)字檔案系統(tǒng)，能使歷史文化遺產(chǎn)得到有效管理，并最終實(shí)現(xiàn)“以空間位置作為唯一依據(jù)”的信息查詢方式。該項(xiàng)目的成功實(shí)施將為未來歷史建筑的測(cè)繪，以及與之類似的歷史文化區(qū)域的規(guī)劃和保護(hù)測(cè)繪提供寶貴的參考。

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作者簡(jiǎn)介：王新宇（1999—），男，山東青島人，碩士在讀，研究方向：建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)。

張智超（1998—），女，山東濟(jì)南人，碩士在讀，研究方

向：建筑歷史與遺產(chǎn)保護(hù)。