融合多種技術手段的歷史建筑測繪

許新海

(蚌埠市勘測設計研究院,安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

隨著城市的建設與發展,諸多歷史建筑遭到不同程度破壞,對于歷史建筑的保護刻不容緩,歷史建筑測繪是歷史建筑保護管理工作中的一項重點基礎工作。

目前歷史建筑的測繪方法主要有全站儀法、攝影測量法、三維激光掃描等方法。歷史建筑形式豐富,造型復雜,單一測繪方法,采集效率低,工作難度大,難以適用歷史建筑建檔全面測繪的要求。

基于無人機傾斜攝影、三維激光點云的歷史建筑二維圖繪制及三維建模,實現了高精度模型,數據獲取速度快、實時性強、精度高及非接觸式測量等優點應用于古建筑的精細測繪項目中。文獻[3]利用三維激光掃描儀獲取歷史建筑點云數據,通過相應軟件對點云數據處理,在cloudworx中繪制CAD二維圖,在Smart 3D中構建的三維模型,均具有較高的精度。文獻[6]基于無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描技術的歷史建筑數字實景模型創建方法,建立了歷史建筑的精細化整體模型,解決了存在盲區、紋理細節表達失真的問題,對歷史建筑數字化保護、活化利用提供了數據支撐。文獻[7]基于傾斜攝影和三維激光點云融合技術應用于歷史建筑測繪,進行三維仿真建模。本文通過建筑場景實景三維模型以及室內外的三維激光掃描點云,建立了精細的歷史建筑單體化模型,制作了平立面圖及大樣圖,為歷史建筑建檔提供基礎資料,實現了歷史建筑的全面、準確測繪。

1 基本原理

1.1 傾斜航空攝影的基本原理

傾斜航空攝影是利用傾斜航空相機獲取地物信息的一種新型的航空攝影方式。傾斜航空攝影區別于傳統的豎直航空攝影方式,傾斜航空攝影技術可同時獲得同一物體多個不同角度的、具有高分辨率的影像,可采集豐富的地物側面紋理,GNSS配合慣導系統獲取高精度的位置和姿態信息,基于專業軟件,進行影像預處理,在進行空中三角測量計算、模型重建計算后,批量建立高質量、高精度的測繪產品。

1.2 三維激光掃描的基本原理

三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀,配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡,通過傳動裝置的掃描運動,根據設定的掃描角度,對物體進行全方位掃描,獲得物體的空間信息,三維激光掃描儀的原始測量數據包括測點的三維坐標、RGB信息、反射率等,可快速重建被測目標的三維模型及線、面、體等各類數據。

目前可采用脈沖式測距、激光三角法測距、相位式測距等方式得到坐標原點O到目標點P的距離S、水平角φ、垂直角θ,通過公式計算可得目標點P的空間三維坐標(X,Y,Z),如圖1所示。

圖1 掃描點坐標計算

2 傾斜攝影、三維激光掃描在歷史建筑測繪中應用

2.1 項目背景

為加強歷史建筑保護工作,根據《安徽省歷史文化名城名鎮名村保護辦法》《歷史文化街區劃定和歷史建筑確定工作方案》等要求,2018年10月,蚌埠市公布了市區第一批歷史建筑名錄,主要包括寶興面粉廠等11處建筑,同年12月,公布了市區第二批歷史建筑名錄,主要包括太平街清真寺等7處歷史建筑。

本次歷史建筑測繪內容主要包括歷史建筑區域實景三維模型以及歷史建筑單體三維建模,平、立面圖、典型構件大樣圖等成果,為歷史建筑的保護、修繕和管理提供基礎資料,為后續保護利用提供數據支撐。

2.2 作業流程

針對上述成果要求,綜合無人機傾斜攝影以及三維激光掃描技術,歷史建筑測繪作業流程如圖2所示:

圖2 歷史建筑測繪作業流程圖

2.3 控制測量

本次測量平面坐標系統采用2000國家大地坐標系(CGCS2000),高程系統采用1985國家高程基準。根據歷史建筑的特點,開闊地帶采用AHcors進行平面控制測量,建筑密集地區采用導線測量方法布設。高程測量采用四等水準聯測。

2.4 傾斜攝影測量

本次測繪對象為歷史建筑清真寺,周邊為多層住宅小區,根據測區現場實際情況,選用大疆精靈4RTK進行航飛作業,由飛行器、遙控器、云臺相機等組成,配合網絡RTK服務,可實現厘米級定位,同時記錄的原始衛星觀測值及曝光事件數據,可用于動態后處理PPK(post-processed kinematic)差分解算等。內業采用武漢天際航有限公司的DP-Smart軟件進行空中三角測量及全自動三維建模。

(1)航線布設及數據獲取

根據項目分布區域特點確定飛行范圍,合理規劃飛行航線,確保航向重疊度保持在80%以上,旁向重疊度在75%以上。為了建立歷史建筑區域精準的實景模型,選擇攝影測量3D(五向飛行)模式,航線由正射航線和傾斜航線組成。平行于測區邊界線的首末航線的側視鏡頭能夠獲得測區的有效影像?？紤]到傾斜攝影相機拍攝角度,為保證邊緣物體立體成像,航線覆蓋超出測區邊界線至少 200 m。最終布設的航線16條,航向重疊度、旁向重疊度均為80%,飛行高度 80 m,航帶間距 19 m。

(2)空三加密全自動建模

飛行完成以后,在DP-Smart中新建工程,添加影像數據以及對于對應的Pos數據,經過提取特征點、相對定向、匹配連接點、區域網平差,生成攝區的空中三角測量成果。根據空三成果,提取特征點,生成密集點云數據以及三角網構建、紋理映射等,最終得到實景三維傾斜模型(圖3)。

圖3 清真寺實景三維模型

2.5 三維激光掃描

由于清真寺屬于民族特色建筑,諸多結構呈不規則形狀,造型復雜,采用三維激光掃描清真寺內部庭院及室內外空間,為后續精細單體化建模及圖紙制作提供數據支撐。

(1)外業數據采集

①激光點云的定位:根據清真寺的實際情況,定位標記采用專用標靶紙粘貼固定,每站均設置一個,共計設置12點。利用徠卡TZ12全站儀(測角精度±2″,測距精度 1 mm+1.5 ppm),精確測定標靶紙標記點的三維坐標,后期內業坐標轉換。

②點云采集及影像獲取

采用德國的Z+F IMAGER 5010C掃描儀,每兩站之間均設置三個公共標靶球,采用Super High超高分辨率對標靶球進行掃描,采用high分辨率進行建筑本體掃描。其中,對于體現歷史風貌和民族特色的欄桿、雕花等部分采用Super High超高分辨率掃描,用于后期大樣圖制作,單站掃描以及拍照需用時15分30秒。

(2)點云數據處理

Z+F掃描獲得的數據導入LaserControl后處理軟件進行降噪處理,利用軟件三維選擇工具對多余點等進行刪除,僅保留所需數據以提高后續處理的效率。利用外業拍攝照片進行每站點云數據的著色,得到彩色點云。點云處理后進行點云拼接,利用兩個標靶進行拼接,第三個標靶作為多余觀測,進行平差計算,提高拼接精度,本次拼接精度報告三個標靶球在X、Y、Z三個方向上偏差以及總偏差:平均偏差:1.3 mm,標準偏差:0.8 mm,最大偏差:4.0 mm,完全滿足規范要求。

點云拼接完畢以后,在軟件中對標靶紙的標記點進行標記點號,對全站儀采集數據進行編輯導入軟件進行匹配,通過標靶紙標記點坐標將點云數據歸化到CGCS2000坐標系中,獲取絕對坐標清真寺完整點云數據如圖4所示。

圖4 清真寺點云數據

2.6 建筑精細模型制作

根據歷史建筑細節精細表達的要求,依據實景三維傾斜模型、三維激光掃描數據以及DP Modeler、3D Max軟件進行精細模型制作,利用DP Modeler在實景三維模型中采集粗模,自動紋理映射,部分柱與欄桿、窗戶利用三維激光掃描數據在3D MAX中細化結構,對于可能出現的圖片效果較差的情況人工進行篩選,重貼紋理,編輯完成單體化模型。對每個建筑模型統一命名編號,命名規則為“市拼音縮寫-區縣拼音縮寫-歷史建筑編號-單體建筑編號”。完成的建筑模型(BBS-BSQ-012-001)成果如圖5所示。

圖5 建筑模型成果圖

2.7 平、立面圖繪制

點云數據處理完成后,通過專業軟件進行平、立面圖的繪制,要求線條平順,結構細節表達完整。利用Z+F LaserControl軟件導出.las格式點云,利用南方SouthLidar軟件進行平面圖繪制,根據測圖需要固定高度對點云進行水平切片,完整顯示房屋墻體,選擇直角繪制模式,沿著建筑墻體輪廓采集房屋。使用Autodesk Recap軟件將點云數據格式轉換為.rcs格式后導入AutoCAD 2019后進行立面圖繪制,將點云模型通過相關軟件的投影功能進行平面投影處理,從而得到投影后的平面點云數據,然后在平面點云數據上繪制立面圖形,并標注尺寸及相關材質,對于部分被遮擋屋面結構及相關信息通過實景三維模型獲取。繪制完成的建筑物平、立面圖如圖6～圖8所示。能夠體現歷史風貌和民族特色的建筑樣式,繪制典型大樣圖。

圖6 清真寺總平面圖

圖7 講堂側立面圖

圖8 講堂南立面圖

2.8 精度評定

歷史建筑平面圖、立面圖測繪完成后,安排質檢小組隨機抽查8個尺寸,采用測距儀測量邊長以及全站儀測量高度方法,以檢測平面圖、立面圖測繪成果的精度,檢測分析對比表如表1所示:

表1 實測邊長與平立面成果對比表(單位/m)

通過表1分析,差值最大為6 cm,最小為 1 cm,檢核結果皆滿足《地面三維激光掃描作業技術規程》中平面圖、立面圖、剖面圖制作的要求:結構尺寸應實地檢核,相對誤差應不大于1/200。精度可靠的歷史建筑基礎數據,可以提供給歷史建筑檔案制作使用,滿足歷史建筑保護工程需要。

3 結 論

通過上述工程實踐,綜合運用傾斜攝影、三維激光掃描等測繪新技術,獲取了精確、翔實的歷史建筑基礎數據,提交的測繪成果能夠反映歷史建筑歷史風貌、構造工藝特征等,內容豐富,表達形式直觀、多樣,并對后續歷史建筑測繪成果的建立、歸檔進行統一和規范。

項目完成后,建立歷史建筑資料數據庫,同時將成果導入現有規劃管理信息平臺,實現了歷史建筑規劃保護和修復的信息化管理。目前已成功應用于歷史建筑常規修繕維護、合理利用等歷史建筑保護工程。