傾斜攝影和三維激光掃描技術在歷史建筑三維重建中的應用

李核心

摘 要：針對傳統歷史建筑測繪方法工作量大、準確性低、成果形式單一的問題，提出了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，制作準確、完整的圖紙，并進行三維仿真建模，實現了歷史建筑的全面、準確測繪且成果豐富，為歷史建筑后期開展維護管理、保護修繕、合理利用提供準確、完整的基礎資料。

關鍵詞：傾斜攝影;三維激光掃描;Lidar;點云;歷史建筑

中圖分類號：P208 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）12-0033-03

歷史建筑是不可再生的寶貴文化資源和歷史傳承的重要載體。保護和弘揚傳統優秀建筑文化，建設有歷史記憶、文化脈絡、地域特色的美麗城鎮，是推進新型城鎮化建設、建設文化強省的重要內容。準確、完整的測繪歷史建筑物平面圖、立面圖和各類詳圖，對于歷史建筑物的修繕、復原具有重要意義。傳統方法通過采用全站儀、測距儀和皮尺等工具對歷史建筑物進行丈量并繪制相應圖件，存在工作量大、準確性低、成果形式單一等問題。傾斜攝影和三維激光掃描技術采用非接觸、全息掃描的方式采集歷史建筑表面的密集點云數據和紋理色彩，后期結合相關的軟件可快速復建出歷史建筑的三維立體模型，在此基礎上繪制出相應的平面圖、立面圖和剖面圖等二維平面信息[1]。與傳統采集方式相比，該方法具有采集效率高、精度高、成果豐富等特點，對歷史建筑物的測繪、保護提供了非常好的技術手段。

1 總體技術路線

首先對測區進行現場踏勘，了解測區地形及周邊情況，合理地設計控制點，通過傾斜攝影測量、三維激光掃描測量和全景影像采集高效地獲取歷史建筑周邊、屋頂、外立面、室內燈全方位信息，通過多源數據融合手段構建完整的歷史建筑基礎數據，在此基礎上生產各類測繪成果，如圖1所示。

2 外業數據采集

2.1 投入的設備

投入的設備如表1所示。

2.2 傾斜攝影測量數據采集

制定傾斜攝影測量飛行計劃：根據攝區形狀、工作量、飛機飛行的安全航高，結合攝區地形情況，并依照航空攝影的相關技術要求，制定無人機的飛行計劃，重點設計飛行航高、航向重疊度、旁向重疊度、影像地面分辨率等參數。

布設像控點：根據設計的飛行計劃，采用合理的像控點網布點方案，一般采用區域網布點方案，為保障成果精度，像控點在航線方向和旁向的跨度一般為300米，個別困難地區在保證精度情況下可適當放寬到400米。像控點的目標影像應清晰，易于判別。弧形地物及陰影、狹溝、尖山頂和高程變化急劇的斜坡等，均不宜選作刺點目標。

航攝實施：所攝區域空域申請經航空管制部門批復后，方可進行航空攝影。各種審批手續辦完以后，外業航攝人員開展攝影作業。航攝飛行要求應滿足《IMU/GPS輔助航空攝影技術規范》（GB/T 27919-2011）中6.2節之規定。

2.3 點云、全景數據采集

通過Trimble X7三維激光掃描儀對建筑物進行掃描，獲取其空間三維數據、顏色信息、紋理等方面的數據，并建立檔案，為以后建筑物改造或復原提供了依據。

外業數據采集流程如下：

（1）作業方案制定：首先對現場進行踏勘，確定掃描作業方案，在建筑內外部合理布設測站點。

（2）點云獲取：在各測站點上架設激光掃描儀，利用Trimble X7三維激光掃描儀對現場進行掃描，獲取建筑外部和內部的點云信息。

（3）全景影像獲取：采用的Trimble X7三維激光掃描儀能夠在掃描點云的同時獲取物體表面影像。除此之外，需補充對建筑的平、立、剖面不同方向和局部的拍照，對重要的保護建筑進行錄像，直接作為數據存檔。

3 內業數據處理

3.1 傾斜攝影影像處理

傾斜影像采用武漢大勢智慧科技有限公司重建大師傾斜影像自動三維重建系統進行實景三維建模，三維建模生產具體流程如圖2所示。

傾斜攝影測量技術通常包括影像預處理、區域網聯合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等關鍵內容，其基本原理如圖3所示。

空中三角測量階段需要外業控制點文件以及點之記、原始影像及相機文件;計算機完成自動相對定向后通過人工選點、刺點完成區域絕對定向;分析誤差，空三成果檢查合格后提交空三資料，最后利用空三成果進行模型重建。空三流程如圖4所示。

3.2 點云數據處理

外業掃描獲取單站的點云，通過Trimble RealWorks軟件進行全自動或手動拼接，將各站點云歸至同一坐標系下，合為一個測區的整體點云成果。主要工作流程如下：

（1）導入原始數據，Trimble X7三維激光掃描儀采集的原始數據可直接在RealWorks軟件中打開或拖入到RealWorks軟件中，并且在導入階段就可以進行數據采樣、過濾工作和點云自動著色。

（2）通過RealWorks軟件的全自動配準或單點配準功能進行點云之間的拼接配準。

（3）完成點云配準后，建筑的彩色點云已經能夠立體展示其結構和紋理，快速實現了三維成型。

3.3 傾斜攝影與三維激光掃描數據融合

將空三生成的密集點云與經預處理后的三維激光掃描的點云導入點云數據處理系統對點云數據進行融合處理。首先在軟件中對點云初步處理包括消除數據冗余、點云數據裁切分幅、噪聲點粗差分類;然后通過自動分類的宏命令對點云自動分類，對自動分類后的激光點云進行人工干預，對點云自動分類后的被錯分、少分、或是難以區分的地物進行編輯與修改，同時，對無數據的水系區域、建筑物區域、被遮蔽區域進行針對性處理。最后運用控制點坐標進行點云數據坐標轉換，生產目標坐標系的分類后激光點云數據包括地面點點云，非地面點點云，低點、飛點、噪音點，條帶間冗余點[2]。通過軟件運用宏命令對非地面點點云進行各類地物類別分類，如建筑類別點云、道路類點云、其他各類點云，最終用于歷史建筑物三維模型生產。

3.4 正射點云數據制作

歷史建筑點云經數據融合后，為了將點云數據轉換為建筑的圖形數據，需要將點云數據進一步進行處理，制作正射點云數據成果。

（1）對歷史建筑各個立面和每層平面分別進行切片，獲取每個立面和平面的獨立點云數據;（2）通過坐標轉換使每個立面和平面都成為正投影點云;（3）對每個正投影點云數據進行保存和輸入，使其成為獨立的點云數據;（4）最后將正射點云數據與CAD聯動進行制圖。

3.5 平、立、剖面建筑圖繪制

將上一步多得到的正射點云通過Pointools for CAD導入，提取建筑結構特征和量測距離，按合適比例繪制專業的建筑平面圖、立面圖和剖面圖。平面圖要求標注墻中軸線、墻體布置及寬度、門窗定位、樓梯、庭院外廊立柱、陽臺、室外臺階;立面圖標注門窗定位及高度、檐口和屋脊標高、4個方位的立面，繪制單線圖;剖面圖標注屋架擱置方向，地面、室外、檐口、屋脊、屋架下弦標高[3];發現墻體較大裂縫和其他較嚴重的毀損，附加簡單注明。

3.6 歷史建筑大樣數據制作

為完整、真實反映歷史建筑物的建筑細節，需制作歷史建筑物大樣圖，可采用點云數據和照片表達大樣圖的方法進行制作。由于大樣圖通常為抽象的雕花等復雜結構，采用傳統手繪的方法無法真實和立體地反映大樣的特征和細節，因此采用彩色點云數據直接表示大樣成果，既保證了大樣成果的真實性，又保證了尺寸的高精度，同時把大樣數據表達從二維表達提升到三維表達，更加立體和逼真。

3.7 三維仿真建模

根據融合后的點云、傾斜影像和全景數據，利用軟件提供的繪圖工具繪制建筑表面輪廓線，分析和制作建筑的主體幾何結構，從而搭建建筑幾何模型，已繪制完成的建筑平、立、剖面圖也可直接用于三維仿真建模。后續將幾何模型導入3d Max等專業建模軟件中對模型進一步細化和完善，并賦予紋理貼圖，制作建筑精細模型，不但作為數字化存檔，并能夠結合GIS實現虛擬現實瀏覽與展示[4]。

4 結束語

本文充分利用傾斜攝影測量和三維激光掃描的技術特點，通過外業數據采集、內業數據處理，融合多源點云數據進而制作歷史建筑正射點云數據，繪制歷史建筑平、立、剖圖形，構建精細三維模型等過程，探索出融空地多源數據為一體的歷史建筑數字化測繪技術路線，為歷史建筑留下了寶貴的基礎性資料，方便后期開展維護管理、保護修繕、合理利用等工作。

參考文獻：

〔1〕樊冠嵩.三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用[J].浙江測繪，2020，42（03）：35-38.

〔2〕楊必勝，梁福遜，黃榮剛.三維激光掃描點云數據處理研究進展、挑戰與趨勢[J].測繪學報，2017，46（10）：8.

〔3〕劉永鋒，李翅，周凱，等.三維激光掃描技術在歷史建筑物測繪中的應用[J].城市勘測，2018，33（02）：5.

〔4〕方喜波，顧亞靜.三維激光掃描技術在天津市歷史文化街區三維模型庫建立中的應用探討[J].北京測繪，2020，34（05）：86-90.