基于傾斜攝影和三維激光掃描技術的歷史建筑測繪

吳奇恒

（上海繼拓土地規劃設計勘測有限公司，上海 青浦 201700）

1 引言

歷史建筑是城市記憶和文化的積淀，是城市不同發展階段的縮影，當前，優秀歷史建筑已成為展示城市形象和文化的重要名片。要想保護好優秀歷史建筑，首先必須收集并建立歷史建筑的結構、圖案信息等檔案數據。如何快速、準確、完整地獲取這些檔案數據，是當代測繪工作者必須思考和探索的問題。

傳統歷史建筑建檔測繪主要采用全站儀、測距儀等常規測量方法采集數據，繪制平立剖面圖，對于建筑的色彩、材質、紋理等信息，則拍攝數碼照片并輔以文字說明的方式來建檔。對于具有重要文化價值的典型紋理及圖案信息，一般在數碼相片上套繪出紋理和圖案，縮放后置于對應平立剖面圖上建檔。這種方式效率低，無法快速、準確、完整反映歷史建筑的關鍵結構、重要部位的細節圖案、材質及紋理等信息。

傾斜攝影測量與三維激光掃描技術相結合的測繪方案，屬于空地一體化的新型測量模式，可以快速、準確、完整地實現數據采集和成圖，是當前測繪技術條件下可用于歷史建筑測繪的有效手段。兩種技術相結合所獲取的歷史建筑三維模型和激光點云數據，不僅能高效率生產高精度的平立剖面等圖件，而且能詳細、全面地記錄歷史建筑的風格與現狀，可為歷史建筑的保護和修繕提供可靠依據[1]。

2 傾斜攝影測量技術

2.1 傾斜攝影測量技術工作原理

傾斜攝影測量技術是利用無人機搭載單鏡頭或多鏡頭相機，從垂直和4 個側向角度采集影像數據（作業方式如圖1 所示），同時記錄獲取影像瞬間的POS數據，內業人員使用數據處理軟件對影像進行處理后，可自動化重建實景三維模型。通用格式的實景三維模型可導入各類GIS 平臺，有著豐富的專業化應用方向，既可為城市規劃、建設項目設計提供三維數據支撐，也可為政府管理部門提供可視化、直觀化的決策依據。無人機搭載的鏡頭可以獲取至少兩個已知航點上的、不同角度的地物影像，通過傾斜攝影測量數據處理軟件對影像上的每個同名像點進行三角運算，可以得到地物點的三維空間坐標，首先由海量的地物點組成三維點云數據，生成密集三角網，再由密集三角網構成白膜，最后使用影像對白膜進行紋理映射，生成實景三維模型。

圖1 傾斜攝影測量

2.2 技術特點

（1）高效率、生產成本低

傾斜攝影測量適合較大面積的地形、地物測繪，采用自動化建模技術，相比于傳統的人工現場測量，具有更高的生產效率和更低的作業成本。

（2）高精度

合理的數據采集方法、規范布置像控點、無人機免像控技術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，高程中誤差能控制在10cm之內。

（3）真實感

相比于傳統的線劃圖和人工建模，傾斜模型能夠完美還原現狀地物的色彩、形狀和細節，具有更高的真實感。

3 三維激光掃描技術

3.1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，利用高速激光掃描測量方法，可大面積、高分辨率、快速獲取歷史建筑表面和內部各個點的三維坐標、反射率、色彩等數據信息，可快速重建1∶1 真彩色三維點云模型。三維激光掃描儀工作原理為激光發射器發出激光脈沖信號，經地物表面漫反射后，沿原路徑傳回接收器，可計算出目標點P與掃描儀的距離S，控制器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量的坐標系一般為儀器自定義坐標系，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲取目標點P坐標的幾何原理，如圖2 所示。

圖2 三維激光掃描儀獲取目標點坐標原理

3.2 技術特點

三維激光掃描技術具有速度快、精度高、操作簡便等特點。采用三維激光掃描儀對建筑物室內外進行掃描，無須接觸，便能得到海量點云數據，直觀且形象展現建筑物的立體模型。三維激光掃描技術目前已廣泛應用于建筑測繪、建模、立面改造等領域，為歷史建筑復雜的測量問題提供了全新的解決方案[2]。

4 應用實例

4.1 項目背景

本次實驗以位于上海市青浦區朱家角古鎮的仲宅為例，仲宅位于朱家角古鎮歷史風貌區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，堪稱當時朱家角鎮第一豪宅。近年來，由于房屋不斷修繕，仲宅局部構件的布局和材質改動較大，急需快速、精準且完整地獲取該建筑保護建檔數據，為有關部門保護和修繕歷史建筑提供直觀、準確的數據資料。通過多種測繪方案的對比，最終確定采用傾斜攝影測量與三維激光掃描相結合的測繪技術方案，詳細技術路線如圖3 所示。

圖3 技術路線

4.2 傾斜攝影數據采集與處理

位于上海市青浦區朱家角古鎮的優秀歷史建筑一共有7 處，而且分布相對比較集中?？紤]到古鎮面積不大（約1.5 km2），為了整體掌握古鎮的建筑群形態和各優秀歷史建筑的分布位置、周邊建筑分布情況，需要對大范圍的古鎮區進行無人機傾斜攝影測量與三維建模。外業采用大疆M300RTK 無人機掛載賽爾102s V2 五鏡頭進行數據采集，通過適當降低航高（相對航高100m）、增大航向與旁向重疊度（航向85%、旁向80%）、降低航線速度、合理規劃航線和設置航線外擴距離等方式，提高影像的采集質量，最終獲得地面平均分辨率為1.6cm 的影像數據。內業進行數據處理時，考慮到地理信息數據的安全性和保密性原則，采用了國產單機版軟件“大疆智圖測繪版”進行實景三維模型重建。

考慮到古鎮范圍內建筑較為密集，各優秀歷史建筑與相鄰建筑的間隙較小，傾斜攝影測量時存在地物相互遮擋、固定相機角度下有攝影盲區的問題，對此，在具備飛行條件且保證安全的前提下，采用大疆精靈4RTK 無人機斜面航線規劃功能對建筑立面等進行貼近攝影測量，以彌補傾斜攝影測量的不足。

通過對傾斜攝影航線與貼近航攝采集的影像數據進行融合建模，可以更清晰地呈現模型外立面細節，改善模型的扭曲變形，減少拉花現象，數據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劃航線之間加飛航線，且加飛航線時應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，加飛航線與首飛傾斜攝影航線和貼近攝影航線的高差應不超過50m，否則會產生數據融合失敗的現象。

圖4 數據融合前后的效果

4.3 三維激光掃描儀數據的采集與處理

對于受限于貼近飛行條件、結構復雜的建筑物，采用三維激光掃描儀進行全方位掃描。在三維激光掃描之前，需要先踏勘現場，對歷史建筑的總體情況、構件的材質和色彩屬性、政府保護與修繕工作對數據的需求等進行總體把控。然后以傾斜攝影測量所用的控制網為基準開展掃描工作，以便于數據的融合處理。對于狹小空間等無架站條件的區域和位于架站式掃描盲區的區域，則輔以手持式三維激光掃描儀補充采集數據[3]。

外業數據采集完成后，內業需對點云數據進行預處理。點云數據預處理包括點云配準、點云去噪和點云抽稀等內容。點云配準是將不同視角下的點云數據進行拼接，獲得建筑物完整的點云數據。點云去噪是將目標建筑物以外的點云數據去除。點云抽稀是按照一定規則，減少點云數量，提高點云數據處理效率［4］。經過點云配準、去噪、抽稀操作后，可得到直觀、準確且數據量適中的三維點云數據。

4.4 數據融合處理

由無人機傾斜攝影與貼近攝影測量得到的點云模型缺少歷史建筑的內部結構和屋檐下方部分構造及墻體數據，而三維激光掃描得到的點云模型則缺少部分歷史建筑外立面及屋頂數據［5］。將兩種點云模型進行融合，可實現優勢結合、缺點互補，能完整、逼真反映并留存歷史建筑的整體及細節現狀，進一步減少、消除實景三維模型的拉花、變形和空洞現象。

融合建模的關鍵點是將無人機傾斜攝影和貼近攝影測量密集匹配過程中產生的點云模型與三維激光點云數據進行合并，同時作為三維模型幾何結構的數據源，融合建模過程中應保證激光點云和傾斜攝影匹配點云密度基本一致，以保證較好的融合效果，為后續應用奠定良好基礎。數據融合后的立面點云模型如圖5 所示。

圖5 數據融合后的立面點云模型

4.5 建筑圖件的繪制

基于融合后的點云模型和實景三維模型可以方便、準確地繪制出歷史建筑平立剖面及結構細節等圖件?？衫L制的圖件主要包括總平面圖、單體平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖和細部大樣圖等。首先通過點云后處理軟件將融合后的點云在不同視角進行裁切和切片處理，然后將點云切片TIF 數據導入AutoDesk CAD軟件，按照法式測繪原則，參考實景三維模型，依次繪制歷史建筑保護存檔、改造設計所需的前述各類圖件［1］。利用點云數據和實景三維模型數據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，再利用手持激光測距儀實際測量這些部位的長度，將量取長度值與實際測量的長度值進行比較，統計結果如表1所示。

表1 特征部位長度值對比

從表1 數據可以看出，特征部位的長度最大差值為0.011m，最小差值為0.003m，精度結果比較理想。

5 結束語

傾斜攝影測量與三維激光掃描技術在不接觸歷史建筑的條件下，能快速采集建筑表面和內部大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，并通過實景建模軟件，快速復建建筑的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。這種方式在提供歷史建筑準確平立剖面等存檔圖件基礎上，增加了三維點云數據和實景三維模型數據，豐富了數據成果形式,可為有關單位保護、修繕和復原歷史建筑提供翔實、準確的數據支撐，也為優秀歷史建筑保護測繪工作提供了新思路。