摘 要：保護(hù)和傳承古建筑是目前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一，構(gòu)建古建筑的實(shí)景模型是文物保護(hù)的基礎(chǔ)和前提。近些年發(fā)展起來(lái)的基于人工、傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描等技術(shù)構(gòu)建的三維模型，在古建筑建模上均存在諸多局限。文章提出使用傾斜攝影和三維激光掃描數(shù)據(jù)融合的方式，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的三維模型重建，為獲得低成本、高效率、高質(zhì)量的精細(xì)化古建筑模型提供相應(yīng)理論與技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：古建筑；傾斜攝影；三維激光掃描；空地?cái)?shù)據(jù)融合；三維模型

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.02.034

0 引言

我國(guó)古建筑具有悠久的歷史，在我國(guó)傳統(tǒng)社會(huì)中起著重要的社會(huì)凝聚作用，在世界建筑史上占有重要地位，有極高的藝術(shù)成就和科學(xué)價(jià)值，保護(hù)意義重大①。古建筑是歷史文化的載體，目前因自然災(zāi)害等因素很多古建筑遭受不同程度的破壞，而古建筑模型可以作為文物修復(fù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存檔，實(shí)現(xiàn)古建筑文物的保護(hù)。

近年來(lái)，三維建模技術(shù)發(fā)展迅速，主要有手工建模、傾斜攝影建模和三維激光掃描建模三種類型。人工建模②使用GNSS－RTK或全站儀獲取二維矢量數(shù)據(jù)，此方法工作量大、效率低。傾斜攝影建模③是在同一飛行平臺(tái)上攜帶傳感器，獲取圖像信息，由于無(wú)人機(jī)能對(duì)建筑物從高到低、由遠(yuǎn)及近進(jìn)行全方位的拍攝，但該技術(shù)無(wú)法獲取拍攝盲區(qū)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的全部細(xì)節(jié)信息，導(dǎo)致構(gòu)建的三維模型會(huì)出現(xiàn)粘連、變形等問(wèn)題。三維激光掃描建模④利用激光掃描儀采集三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合EpiCloudSplicer等軟件可實(shí)現(xiàn)高精度的模型，但是由于儀器本身的高度和掃描角度原因，使模型不完整，無(wú)法構(gòu)建完整的三維模型。

基于上述理論和技術(shù)基礎(chǔ)，大量研究采用單個(gè)技術(shù)對(duì)古建筑遺跡進(jìn)行三維重建。Pesci⑤、徐凡⑥、化蕾⑦、何聰祥⑧、蔡利波⑨等人使用三維激光雷達(dá)技術(shù)完成了對(duì)古建筑模型的構(gòu)建，高溪溪⑩利用三維激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合BIM技術(shù)也完成了對(duì)古建筑模型的構(gòu)建，但數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。劉洋k等人基于無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量，提出了一種自主飛行、結(jié)合手動(dòng)多高度多角度拍照的古建筑三維建模方法，雖然提高了效率，但精度還是不夠高。李天l提出了一種結(jié)合無(wú)人機(jī)和地面近距離數(shù)據(jù)的環(huán)繞傾斜攝影精確建模方法，但由于其經(jīng)驗(yàn)性路線設(shè)計(jì)，受主觀因素影響較大，容易影響測(cè)量精度。

針對(duì)以往研究中存在的問(wèn)題，本文提出了空地?cái)?shù)據(jù)融合的方法，可以獲得更全面的古建筑圖像數(shù)據(jù)，構(gòu)建完整真實(shí)的三維現(xiàn)實(shí)模型，有利于三維融合模型在建筑遺產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 宏佛塔在西夏諸塔寺中的功能與地位

古代封建帝王建修佛寺塔廟，是國(guó)家官式建筑的一項(xiàng)形象系統(tǒng)工程，無(wú)論是在前代寺址上重修，還是在發(fā)生重大事件或值得紀(jì)念的地點(diǎn)上興建，均具有重要的象征意義、紀(jì)念意義與實(shí)用價(jià)值。據(jù)古文獻(xiàn)與金石文字記載，宋真宗在定州建造開(kāi)元寺與樓閣式料敵塔，遼圣宗在上京、遼興宗在中京、遼道宗在西京建造的佛寺與樓閣式舍利塔，均經(jīng)過(guò)精心策劃設(shè)計(jì)，歷經(jīng)數(shù)年或數(shù)十年才完工。西夏立國(guó)之后各代帝王先后精心策劃，在其都城與輔助之地興建或重修寺塔，也經(jīng)歷數(shù)年或數(shù)十年才得以峻工。從獲取的文物考古信息資料可知，拜寺溝方塔和宏佛塔是西夏諸塔寺中與西夏王朝相伴始終、傳承和延續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的佛教建筑文化遺存。兩者相比較，地處府城近郊的宏佛塔凝聚的西夏歷史文化信息，是遠(yuǎn)在賀蘭山深處的方塔無(wú)法比擬的，凸顯了這座塔在西夏諸塔寺中的重要地位。依據(jù)宏佛塔勘測(cè)維修時(shí)獲取的多種文化信息，結(jié)合古文獻(xiàn)對(duì)西夏歷史，特別是西夏佛教文化史的記載，進(jìn)行綜合對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，西夏歷代帝王在該地引進(jìn)和仿效遼朝佛教塔寺建筑元素，修建這座有紀(jì)念意義的佛塔，與依附遼朝、維系的戰(zhàn)略姻親互惠關(guān)系有直接關(guān)系。文章以宏佛塔建筑為例進(jìn)行討論。

2 基于無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模

無(wú)人機(jī)采集到的影像通過(guò)ContextCapture建模軟件進(jìn)行處理，構(gòu)建三維模型。利用傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型精細(xì)化程度不高，紋理缺失嚴(yán)重，在拍攝盲區(qū)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域模型出現(xiàn)粘連和變形等現(xiàn)象。圖1為無(wú)人機(jī)建模的技術(shù)路線。

2.1 影像數(shù)據(jù)采集

使用具有云臺(tái)姿態(tài)控制系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載單鏡頭相機(jī)，采用傾斜拍攝的方式用于獲取目標(biāo)物多個(gè)方向的影像數(shù)據(jù)，其工作流程包括測(cè)前準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。

2.1.1 測(cè)區(qū)概況

宏佛塔位于賀蘭縣王澄堡村，殘高28.34米，由塔基、樓閣式塔身、覆缽式塔剎等部分構(gòu)成。自1990年塔架重建后保留至今。

2.1.2 測(cè)前準(zhǔn)備

外出作業(yè)前應(yīng)檢查無(wú)人機(jī)設(shè)備。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)作業(yè)前應(yīng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，從而選擇適合無(wú)人機(jī)起降的地點(diǎn)。本次航測(cè)項(xiàng)目外業(yè)影像數(shù)據(jù)的采集采用的無(wú)人機(jī)是大疆精靈DJI MAVIC 3E。本次航測(cè)作業(yè)根據(jù)需求對(duì)航攝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，表1為各航攝參數(shù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集

在無(wú)人機(jī)所有的參數(shù)設(shè)定完成和航線規(guī)劃完畢后，將無(wú)人機(jī)垂直升空進(jìn)行采集作業(yè)。本次航測(cè)作業(yè)共采集266幅JPG格式的影像數(shù)據(jù)。

2.2 影像數(shù)據(jù)處理

在完成無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)的工作后，應(yīng)檢查影像并收回?zé)o人機(jī)m。使用ContextCapture軟件處理流程如下所示：?jiǎn)?dòng)ContextCapture軟件，創(chuàng)建新的工程項(xiàng)目，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行英文命名，選擇存儲(chǔ)路徑，完成創(chuàng)建工作。創(chuàng)建項(xiàng)目后，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，并檢查導(dǎo)入的影像是否合格，若報(bào)錯(cuò)，檢查后重新添加。接下來(lái)進(jìn)行空中三角測(cè)量，進(jìn)行空三處理n。當(dāng)空三處理完成后，進(jìn)行重建工作，選擇需要的空間范圍并設(shè)置，然后提交新的生產(chǎn)任務(wù)。生成的三維模型可通過(guò)“3D view”界面查看。

2.3 影像數(shù)據(jù)三維模型構(gòu)建

在ContextCapture軟件進(jìn)行三維模型構(gòu)建的過(guò)程中，通過(guò)空中三角測(cè)量和紋理映射等得到三維模型。如圖2構(gòu)建的三維模型是由無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量完成的。

3 基于三維激光掃描技術(shù)的三維建模

通過(guò)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建的三維模型存在模型粘附和變形的問(wèn)題。三維激光掃描技術(shù)可以采集目標(biāo)地面附近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)使用EasyScanTMT10架站式三維激光掃描儀如圖3所示，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用配套的EpicCloudSplicer軟件。其作業(yè)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。三維激光掃描技術(shù)路線如圖4所示。

3.1 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作為四個(gè)步驟：明確目標(biāo)任務(wù)要求、現(xiàn)場(chǎng)勘查o、掃描方案具體設(shè)計(jì)和儀器準(zhǔn)備。

3.2 掃描階段

掃描過(guò)程由標(biāo)靶布設(shè)、儀器架設(shè)、參數(shù)設(shè)置、掃描、紋理采集五部分組成。

將標(biāo)靶紙如圖5所示進(jìn)行均勻的布設(shè)；布設(shè)時(shí)標(biāo)靶不宜離掃描儀過(guò)遠(yuǎn)，保證掃描精度；為了保證點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，本次掃描時(shí)在相鄰兩站之間架設(shè)1～2個(gè)標(biāo)靶，標(biāo)靶布設(shè)完成后，架設(shè)掃描儀，整平，啟動(dòng)掃描儀。操作流程如圖5所示。

3.3 點(diǎn)云處理及模型構(gòu)建

3.3.1 點(diǎn)云拼接

在完成宏佛塔外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后，接下來(lái)就進(jìn)入內(nèi)業(yè)點(diǎn)云預(yù)處理階段。本次內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理采用與儀器配套的隨機(jī)數(shù)據(jù)處理EpiCloudSplicer軟件，軟件處理T10掃描儀采集的數(shù)據(jù)。

為了獲得建筑物的整體信息，需要進(jìn)行基于站點(diǎn)的全向掃描p。最終需要將各站點(diǎn)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系中，即通過(guò)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型q。

對(duì)于宏佛塔的拼接方式采取的是標(biāo)靶紙與點(diǎn)云特征點(diǎn)相結(jié)合的拼接方式r。

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化

三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通?？蛇_(dá)到毫米級(jí)的精度。在古建筑的數(shù)據(jù)采集中進(jìn)行分站式掃描，而每個(gè)站會(huì)有一定的重疊區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致拼接后數(shù)據(jù)冗余，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理。

4 空地?cái)?shù)據(jù)融合建模

無(wú)人機(jī)與三維激光掃描都有弊端。因此，提出將兩種技術(shù)所生成的模型進(jìn)行融合，構(gòu)建出完整、真實(shí)的三維實(shí)景模型，有利于三維融合模型在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本文選擇的空地?cái)?shù)據(jù)有無(wú)人機(jī)傾斜影像、三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于無(wú)人機(jī)技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)所建立的3D模型，將模型統(tǒng)一數(shù)據(jù)點(diǎn)云格式，深入探討空地?cái)?shù)據(jù)融合建模技術(shù)。ContextCaputure軟件能夠生成“l(fā)as”格式的點(diǎn)云模型，三維激光掃描儀可直接獲取目標(biāo)物的掃描點(diǎn)云，也能夠生成“l(fā)as”格式的點(diǎn)云模型，然后通過(guò)使用LiDAR360能對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行抽稀和點(diǎn)云融合實(shí)驗(yàn)。采用LiDAR360軟件進(jìn)行融合，如圖6所示。

選取三個(gè)相同點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)融合，點(diǎn)F0融合的誤差為0.004，F(xiàn)1融合的誤差為-0.005，F(xiàn)2融合的誤差為0.0008。

從激光點(diǎn)云模型的整體效果來(lái)看，整體較為完整，但是在拍攝盲區(qū)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域存在紋理失真、結(jié)構(gòu)缺失，導(dǎo)致構(gòu)建的三維模型喪失部分信息，無(wú)法完全呈現(xiàn)建筑物的詳細(xì)外觀信息；融合模型中，采用的是無(wú)人機(jī)的高空點(diǎn)云模型，而三維激光采用的是下部點(diǎn)云模型并且部分存在色差問(wèn)題，但是融合模型充分利用各自模型中的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了二者點(diǎn)云模型中存在的問(wèn)題，避免了單一技術(shù)帶來(lái)的各種缺點(diǎn)，使融合模型能夠完整清晰地反映建筑物的幾何特征和紋理特征。

5 結(jié)論

本文針對(duì)三維建模技術(shù)的難題，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建的模型進(jìn)行融合建模的深入研究，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建三維模型的質(zhì)量分析，提出了融合兩種技術(shù)手段構(gòu)建融合模型，解決了模型在單一技術(shù)建模中的粘連、拉花和數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題。

注釋

①何原榮，陳平，蘇錚，等.基于三維激光掃描與無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的古建筑重建[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2019，34（6）：1343-1352.

②李存文，肖天豪，呂寶奇.人工建模技術(shù)在地鐵三維圖中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2021，19（3）：92-95.

③占森方，李元松，陶文華，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在智慧校園實(shí)景三維建模中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（36）：28-30，34；吳曉偉.基于傾斜攝影的傳統(tǒng)建筑建模研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（17）：54-55；范倫.無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)及認(rèn)識(shí)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2021，44（12）：183-186；薛雷，鄧連生，張國(guó)武，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)三維建模及精度分析[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，38（1）：4-8，31.

④李娜，李吾伊.三維激光掃描儀在古建筑檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J].江蘇建筑，2021（S1）：60-62；李曉華，張茹.激光掃描技術(shù)在中國(guó)古代建筑精細(xì)測(cè)繪中的應(yīng)用：以西安鐘樓三維建模及精細(xì)測(cè)繪項(xiàng)目為例[J].北京測(cè)繪，2021，35（5）：678-683；李艷，宿勇軍.三維激光掃描技術(shù)在古建筑園林建模與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪地理信息，2018，43（2）：35-37.

⑤PESCI A，CASULA G，BOSCHI E.Laser scanning the Garisenda and Asinelli towers in Bologna （Italy）：Detailed deformation patterns of two ancient leaning buildings[J].Journal of Cultural Heritage，2011，12（2）：117-127.

⑥徐凡，張雪紅，石玉立.基于激光雷達(dá)和航拍影像的城市地物分類研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2019，34（2）：253-262.

⑦化蕾，黃洪宇，陳崇成，等.基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的客家土樓三維建模[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2015，30（1）：115-122.

⑧何聰祥，王聰華，雒偉群.三維激光掃描技術(shù)在民族建筑數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用：以咸陽(yáng)清渭樓三維模型構(gòu)建為例[J].西藏科技，2020（4）：73-77.

⑨蔡利波，吳二立.基于人工建模和傾斜攝影測(cè)量相結(jié)合的三維建模流程[J].江西測(cè)繪，2020（2）：22-24，31.

⑩高溪溪，周東明，崔維久.三維激光掃描結(jié)合BIM技術(shù)的古建筑三維建模應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2019（5）：158-162.

k劉洋，廖東軍，王朝剛，等.無(wú)人機(jī)近景攝影支持下的古建筑三維建模[J].測(cè)繪通報(bào)，2020（11）：112-115.

l李天.基于環(huán)繞式傾斜攝影的塔式建筑精細(xì)三維建模[J].測(cè)繪通報(bào)，2019（S1）：318-321.

m連蓉，丁憶，羅鼎，等.傾斜攝影與近景攝影相結(jié)合的山地城市實(shí)景三維精細(xì)化重建與單體化研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（11）：128-132.

n鄭宇.基于多源數(shù)據(jù)融合的建筑物三維建模方法研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工程學(xué)院，2022.

o董洪光.地面三維激光掃描技術(shù)及其在歷史建筑數(shù)字化中的應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2016.

p曾如鐵.三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與建模研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

q余培永.基于地面三維激光掃描的古建筑三維重建及虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2019.

r喬嬌嬌.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)復(fù)原中的應(yīng)用及空洞修補(bǔ)研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2021.

s王智，張慧敏，沈璟璟，等.三維激光掃描在頂管穿越高速路變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2022（6）：139-141.