測繪新技術在古建保護中的融合應用

王商富

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

以木質材料為主的中國古建筑，其材料特質和特性決定了其保存難度大，保存時間短。木材易腐易燃，一旦發生自然因素破壞或人為因素損毀，其研究領域與文化領域的價值損失不可估量，且永不可逆。而現階段想要降低損失的危害和風險，就必須做好古建筑的資料保存工作和測繪工作[1]。傳統古建筑建檔測繪的做法目前主要還是組織人力現場借助測距儀采集測量，存在著諸多問題，比如效率低(采集缺漏、測量尺寸反復校對)、精度不均(平立剖圖件變形)、用途單一(缺少修繕所用的具有空間位置的細節紋理以及信息化建設所需的三維模型)等問題。因此，急需測繪新技術去改進現有的工作做法，以解決上述問題。

2 新型測繪技術

《中華人民共和國文物保護法(2017年修正本)》實施以來，越來越多已經普查認定的文物古建列入保護范圍，對空間信息獲取效率、成果質量提出更高要求，新型空間信息獲取技術相互融合、優勢互補成為新的發展趨勢[2]。本文新型測繪技術融合應用主要涉及傾斜攝影測量、貼近攝影、三維激光掃描等。

2.1 傾斜及貼近攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項新的測量技術。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，通過多臺傳感器從不同的角度采集數據，快速、高效獲取豐富的古建筑及周邊數據信息[3]，實現三維實景的快速重建，但是傾斜攝影基本只能實現厘米級的攝影測量，對于亞厘米甚至毫米級攝影測量還存在技術和操作困難。貼近攝影技術是旋翼無人機應用于近景攝影測量，從而形成的一種全新攝影測量方式，通過多角度對地物貼近物體表面攝影獲取超高分辨率影像，提取精細化地理信息，能夠實現亞厘米甚至毫米級的地物分辨率要求，具有可高度還原地表和物體精細結構的特點，但是在古建筑測繪中也有明顯的缺點，如古建筑內部無法通過無人機貼近攝影實施采集。

2.2 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”[4]，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術。并且可以通過激光掃描儀內置或外接的同軸數碼相機拍攝的影像將點云賦上真彩色。三維激光掃描由于其使用簡單、掃描快速，操作安全且精度高等技術優勢，可以極大地提高外業數據采集效率。然而該技術在古建筑測繪應用上也存在明顯不足，如古建筑頂部上豐富的屋頂風格及式樣等無法掃描到、相機拍攝視角不理想、后處理軟件處理效率偏低等。

2.3 技術融合

針對無人機傾斜、貼近攝影測量技術和三維激光掃描各自的優缺點，本文將三種技術手段結合起來，互相彌補不足，并將其用于古建筑建模及建檔測繪工作中。測繪及模型數據經整理后存檔建庫，成為古建筑日后研究、維護、修繕或重建時的主要依據和重要的參考資料[5]。

3 技術特點及總體路線

古建筑的傳統測繪方法主要包括了前期資料整理匯總、實地調研、粗繪草圖、現場數據測量、精細制圖、檢查校核及存檔等步驟。隨著測繪技術發展，結合傾斜、貼近攝影測量對古建筑實施無接觸攝影和利用三維激光掃描技術進行古建筑內外掃描建模，體現出測繪精度高、內外業有效銜接、現場草圖繪制精簡、成果校核快速等優點。

在閩清和閩侯兩縣158處古建筑的建檔測繪工作實踐中。首先，需收集測區內相關已有資料；其次，采用三維激光架站掃描方法獲取全數字化古建筑高密度三維點云數據和360全景影像，利用無人機傾斜、貼近攝影免像控方式獲取高分辨率多視影像數據；然后分別對點云、影像數據加工處理生成兩套點云三維和實景三維模型，并對不同來源的點云模型實施配準與融合；最后，利用上述融合好的點云數據剖切成相應角度和厚度的點云，并結合模型數據、360全景影像和數碼影像綜合繪制古建筑的總平面、平面、立面、剖面和典型構件大樣等成果圖件。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

4 實施方案

4.1 無人機傾斜及貼近攝影實景三維建模

古建筑主要分為古民居、宗祠、寺廟、古塔、廊橋、碑等。因此，分別針對古建筑及塔式風貌建筑利用大疆精靈Phantom 4 RTK實施傾斜及貼近攝影測量方式，古建筑航線設計類型包括空中垂直航攝、傾斜攝影、貼近攝影，塔式風貌建筑航線設計類型包括高空環繞拍攝、低空貼近攝影。航線設計展示如圖2、圖3所示。

圖2 古建筑高空、傾斜、貼近攝影相結合航線設計

圖3 塔式高空、貼近攝影航線設計

由于大疆創新科技完成免像控航測處理方案關鍵核心包含：高精度RTK模塊、TimeSync精準數據采集系統、高精度三軸云臺及大疆智圖的優化算法。因此，可以利用大疆智圖軟件對傾斜、貼近多視影像結合千尋CORS解算的高精度POS數據實施免像控方法空三建模及解算，通過高效、高精度的影像匹配算法，自動匹配出影像中的海量同名點，并從影像中抽取足夠的特征點構成與影像分辨率相匹配的密集點云[6]。開展古建筑實景三維重建，實景三維成果如圖4、圖5所示，三維模型紋理清晰精細，真實還原了古建筑的雕花、文字及細作等局部結構，可以滿足古建筑三維建檔保護需求。

圖4 古建筑全貌及細部

圖5 塔式建筑全貌及細部

4.2 地面激光掃描及數據處理

采用徠卡RTC360三維激光掃描系統對古建筑實施室內外掃描及影像拍攝，該掃描儀采用VIS視覺追蹤技術和SmartReg智能拼接技術，可實現外業掃描數據的自動拼接。在設站時，測站間無須通視，確保測站間點云重疊率不低于30%，結合針對古建筑的結構特點，在檐廊以及各穿枋之前均應設站，保證斗拱與梁架等復雜結構能夠完整采集。在保證拼接誤差不大于 15 mm的前提下，而且為了后續降低數據處理工作量，僅對建筑庭院、中廳等核心區域實施中高分辨率(6mm@10m或3mm@10m)的掃描，其余位置則只需低分辨率(12mm@10m)掃描，以提高掃描效率。

對于外業掃描數據的后處理，只需內業導入激光掃描儀配套的Register360點云拼接軟件即可完成各站點云數據的拼接與著色，并優化外業拼接好的點云，檢查點云模型的完整性、拼接的準確性。對個別未自動拼接起來的測站，通過目視配準的方式實施配準拼接，確保室內外點云數據拼接為一個完整的模型，不存在可見的點云分成現象后，完成點云數據的拼接，并將配準拼接完成的點云數據導出。

4.3 點云配準融合建模

傾斜、貼近攝影密集匹配所抽取的大量密集點云，與地面三維激光掃描儀掃描獲取的拼接點云利用徠卡Cyclone點云處理軟件實施數據融合，融合界面如圖6所示。數據融合前要先保證兩種點云數據格式的一致性，一般轉換為點云通用格式*.las。由于攝影測量生成的點云具有高精度三維絕對坐標信息，而激光點云在無布設控制點情況下僅有相對坐標，因此將兩種點云數據配準融合的過程中，以攝影測量生成的點云為基準，使用自動迭代和校準配準法(也即ICP算法)和人工配準相結合的方法，精確對齊融合拼接兩種點云數據，從而得到高精度完整的融合點云模型[7]，融合點云經過著色效果如圖7所示。

圖6 點云融合界面圖

圖7 攝影測量點云與激光點云融合著色效果圖

4.4 建檔測繪采集及成果精度分析

(1)基于融合點云切面的建檔測繪采集

利用AutoCAD和徠卡Cyclone Cloudworx軟件加載點云融合后的成果，并采用點云切片功能對其切片，基于切片后的點云繪制圖件。在切片處理前需對點云模型建立正交坐標系，一般選取歪曲程度最低的檐柱和脊柱的柱礎中心作為坐標軸參考點建立坐標系，最后根據建檔測繪的相關要求，在天正CAD軟件中，按照平面圖、剖面圖、立面圖的順序，根據切片后的點云影像，依據法式測繪的要求實施繪制。在繪制平面圖的過程中，首先對離地高約 1.5 m處的點云以約 10 cm的厚度裁切，清楚地確定柱位、柱徑、墻板的厚度、門窗的位置和大小等，基于該點云切面完成柱子、墻體、門窗的繪制后，將地面以上的房屋結構去除，僅保留地面點云，繪制天井鋪石等地面元素，快速識別地面的材質并加以標注。其中一處古建筑的平面圖采集如圖8所示。剖面圖至少包含建筑縱向、橫向剖面各1張，實際測繪中一般沿建筑中軸剖切繪制橫剖圖，沿正脊剖切繪制縱剖圖，如圖9所示。經整飾后的相關成果圖件如圖10～圖13所示。

圖8 平面點云切面與線劃疊套圖

圖9 立面點云切面與線劃疊套圖

圖10 總平面圖

圖11 一層平面圖

圖12 正、側立面圖

圖13 縱、橫剖面圖

針對塔、牌坊、橋梁等非傳統建筑類型的構筑物，無須地面激光掃描，只需對攝影測量建立的三維模型通過SV365軟件直接裁剪、定向等操作，得到各構筑物的平面、立面等具有真實尺寸的高分辨率近景正射影像，進而完成圖件的繪制，如圖14、圖15所示。與傳統的近景攝影測量技術相比，通過無人機貼近攝影技術獲取三維實景模型得到的正射影像，擺脫了拍攝距離限制的同時，拍攝角度更加全面，得到的影像更加精細。

圖14 尚干庵塔立面疊加圖 圖15 升平人瑞坊立面疊加圖

(2)成果檢查分析

生成的模型所有點數據有地理位置信息，同時模型還具有可測量性質[8]，以唐棟厝古建筑模型為例，本次人工測得25組邊長數據與在點云模型測得的數據對比精度統計如表1所示。

唐棟厝古建筑邊長精度統計表 表1

由表1數據可知，利用激光測距儀人工現場邊長量測檢核，基于點云融合模型所采集的圖件內部邊長整體誤差達到 3.3 cm，完全能滿足古建筑測繪建檔精度要求，而且較差數值較為均勻，均在古建筑測繪的允許誤差范圍內。

由于免像控攝影測量和地面激光掃描在建立三維點云模型時，無須過多的人工干預操作，只要按照相關的操作流程，就能實現模型一致化的要求，可以有效降低傳統古建筑測繪人工采集過程中出現的現場漏測、誤測及多次反復修正等常見問題出現的頻率。

5 結論和討論

工程實踐顯示：①針對不同類型的古建(構)筑物應采用傾斜、貼近攝影等不同的航攝方案；②攝影測量建模生成的點云和激光點云融合過程中要注意精確匹配，控制好物體表面點云厚度，以便提高采集測繪精度；③對融合后的點云切面繪圖工作，應根據建檔測繪中平面圖和剖面圖的采集類別，設計好點云剖切位置及相應厚度，提高采集效率和精度。

無人機傾斜及貼近攝影測量技術對于古建筑保護測繪中地形圖采集、立面圖測繪工作在效率和精度上有明顯的提升，三維點云融合數據在平面圖、剖面圖的數據采集應用上能夠較好地彌補傳統古建筑測繪中效率不高、精度不穩定、完整性不足以及檢核效率低下等缺點。但還需改進部分方法，如地面架站式激光掃描儀雖然采集精度高、點云密度大，但由于架站數多、后期拼接效率不高等特點，需要手持或者背包式移動激光掃描技術更能實現高效掃描，更好地服務于古建筑保護工作中。另外，由于海量點云、攝影影像、全景照片和三維實景模型等信息較為豐富，除用于常規平立剖等圖件的繪制，還詳細記錄了古建筑的細節現狀和價值要素，而且還能及時發現古建筑結構變形隱患如墻體的傾斜、柱子的歪閃、梁架的撓曲等，以及其他殘缺損毀情況如墻體坍塌、門窗破損、屋頂及瓦片殘缺等。因此，要充分利用測繪新技術，開展古建筑的三維數字化建檔，后續還可依據三維實景模型輔助古建筑的保護性修繕以及旅游開發管理等應用。