多攝影測量融合三維激光掃描技術在不可移動文物建筑測繪中的應用

在不可移動文物的保護過程中，構建精確的文物數字模型并開展平立剖測繪建檔工作，為文物的保護、展示和修繕等工作提供了重要的數據支撐。近些年的研究和實踐表明，單純運用傾斜和貼近攝影測量或三維激光掃描技術，都存在一定的局限性，不能夠完全滿足文物保護和測繪建檔的相關要求。文中以福建省閩清縣不可移動文物測繪建檔為例，簡單探討采用多攝影測量技術融合三維激光掃描技術的方法輔助文物保護的測繪模式，以供參考。

不可移動文物是傳承中華優秀傳統文化的重要載體，因其不可移動且基本長期處于自然環境中，不可避免地會受到自然侵蝕或其他破壞，故文物保護工作任重道遠。不同文物的本體結構、材質、構件等各具特色，這對保護工作的數據采集提出了更高的要求。隨著測繪技術的發展，基于無人機傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術獲取的實景三維模型和點云模型精確詳實地記錄了不可移動文物的內外空間尺寸和紋理色彩信息，該技術具有精度高、速度快、可量測等優點，同時，對文物及其周邊環境的各項參數信息保存完整，相關數據存在可延展性。因此，傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術在不可移動文物保護領域具有重要的應用價值。

多攝影測量以及三維激光掃描技術概述

傾斜和貼近攝影測量技術。近年來，傾斜攝影測量技術呈井噴式發展，突破了航測遙感影像單方面垂直攝影的局限性，其通過多傳感器從1個垂直、4個甚至更多傾斜角度進行數據采集，高效、快速地獲取豐富的不可移動文物的建筑及其附屬數據信息，實現高精度和高分辨率的實景三維模型等系列地理信息產品的生產。

貼近攝影測量是精細化對地觀測需求和多旋翼無人機發展結合的產物，其對目標對象表面任意角度貼合飛行以獲取亞厘米級分辨率影像，從而進行數據重建，高度彌補了常規傾斜攝影無法達到精度要求的缺陷，能高度還原目標對象精細結構特征，使其紋理更加清晰，模型成果更加立體生動。

三維激光掃描技術。近年來三維激光掃描技術逐漸普及應用，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術，可實現面式、體式的多源信息復合獲取，從而將三維現實空間數字化。該技術通過向目標發射激光束，監測激光反射后的時間和強度，利用三角測量原理計算目標的三維空間信息。其操作簡便、數據獲取快速、精度高，可極大提高作業效率。

多源數據技術融合使用

結合傾斜和貼近攝影測量以及三維激光掃描技術的優缺點，借助三種技術手段對不可移動文物進行內外測繪建模，通過數據空間配準、坐標系統統一、點云粗匹配和ICP配準等方式對無人機實景三維模型和真彩色三維點云模型（如圖1所示）進行融合，實現優勢互補，再基于上述數據對其進行切片使用，配以360全景影像及數碼照片，綜合繪制不可移動文物的總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖和典型構件大樣圖等。

技術路線及實施

技術路線設計。閩清縣不可移動文物測繪建檔工作流程主要包括準備工作、基礎數據獲取、繪制平立剖圖件和成果檢查與提交四個環節。首先，收集本項目不可移動文物的基礎資料并制定詳細的作業計劃；隨后，利用三維激光掃描儀、無人機以及數碼相機進行外業數據獲取，內業繪圖人員根據外業數據采集后生產的三維模型進行平立剖圖件的繪制；最后，進行成果的檢查與提交。

主要技術方案實施。一是技術準備。利用已有資料及現場情況勘察結果，充分了解作業區域的山體植被、高壓鐵塔分布和交通條件，并核實相關資料的可靠性。根據測區情況進行航線敷設、測站點選擇和掃描路徑規劃，并檢查飛行器、掃描儀各部件及附件齊全、匹配，各部位連接緊密、穩定。同時，檢查電池容量和內存容量，確保滿足作業范圍和作業時間的需要。

二是基礎數據獲取。采用徠卡RTC360地面三維激光掃描儀（掃描速率200萬點/秒，點位精度1.9毫米）和NavVis VLX穿戴式掃描儀（掃描速率2×32萬點/秒，點云相對精度8毫米），根據設計的掃描路徑獲取點云數據。其中，穿戴式掃描儀需以勻速的方式行進，掃描過程中根據現場實際情況調整，以5米距離為間隔同步拍攝全景照片。盡量不要有行人跟隨，以免點云模型成果中出現過多人影以及著色錯誤現象。同時，通過觀看儀器中的顯示屏，實時查看掃描的完整性與模型拼接的準確性，如發現不完整盡可能采取閉環迂回的形式對缺失區域補充。若相同位置點云出現較大偏差，應及時分析原因并重新掃描。對于建筑物內部結構復雜或者存在精細構件、紋飾等部位，進行多角度、高密度點云采集。

采用大疆Phantom 4 RTK無人機及飛行控制端（POS輔助），進行航線5向飛行與貼近攝影相結合獲取影像數據。飛行的航線高度一般不高于60米（百米分辨率為2.74厘米），個別地區根據文物點所在的周邊環境情況調整，確保飛行安全。一般旁向重疊率70%，航向重疊率80%，針對石塔或斗拱、雀替、浮雕、墀頭等精細部位，采用手動或者環繞飛行的方式進行貼近攝影（如圖2所示），保證重建后的實景三維模型高清、精細。

VLX穿戴式掃描儀使用SiteMake軟件進行拼接，針對項目情況，點云模型的點間距設置為5毫米，采用“銳利”模型對點云降噪處理，最大限度地保留文物的幾何、紋理信息。

基于上述傾斜和貼近攝影測量采集多角度影像進行密集匹配聯合空三算法，生成實景高密度彩色點云，構建并優化不規則三角網，自動尋找最佳視角影像完成紋理映射，最終實現實景三維模型重建。得益于貼近攝影的高分辨率影像，添加貼近攝影影像的實景三維模型具有高精度、高分辨率等優點。

三是數據檢查。在確保點云數據完整的情況下，通過橫縱向的切片，檢查點云拼接的準確性，保證點云模型沒有出現明顯的分層現象，其拓撲關系應完整、正確，不應有漏縫、破面、共面、游離點、線、面等情況。

實景三維模型通過軟件自動濾波、人工交互編輯等方法改正自動匹配造成的誤差，確保地物表面無明顯異常、模型表面無明顯孔洞、紋理協調一致無明顯變形等。

徠卡RTC360地面三維激光掃描儀數據采集流程包括掃描站選擇與路徑規劃、設站標定與掃描、數據采集與拼接、外業數據檢查等步驟。數據處理與分析流程包括點云數據精準配準、去除噪聲點、坐標轉換、濾波、特征點提取、真彩色點云制作等工作。

四是圖件繪制。不可移動文物涉及古建筑、碑刻、遺址、墓葬、石塔、近現代革命遺跡等，不同類型的文物對圖件成果的要求略有差別，其中建筑類最為全面。基于真彩色三維點云模型以及無人機實景三維模型，繪制測繪圖件，一般包含總平面圖、首層（標準層）平面圖、立面圖、剖面圖、典型構件大樣圖等。

在開始圖件繪制前，首先進行多源數據融合，將多視傾斜影像密集匹配點云與激光點云統一空間基準，利用標定控制點對其進行糾正，減弱異源數據間的系統誤差影響，再進行去噪、切割處理，保留影像密集匹配點云屋面等相關區域數據。確保點云數據的完整性和拼接準確性，能夠滿足平立剖的繪制，繪制面的結構必須清晰可見，不存在數據漏洞、分層等現象。使用AutoCAD、天正建筑、CloudWorx點云插件等軟件，通過將點云模型進行不同角度和厚度的切片處理，遵循從整體到局部，先控制后細部的原則，依次繪制建筑的總平面圖、首層平面圖、剖面圖、立面圖等圖件。

在繪制平面圖的過程中，首先對距離地面約1.5米處的模型進行裁切，切片厚度約10厘米，該高度及厚度的點云切片可以清楚分辨墻板厚度、柱位、柱徑，門窗的位置和大小等結構信息，基于該切片點云完成柱子、墻體、門窗的繪制后，將模型地面以上的房屋結構去除，僅保留地面點云，繪制天井、臺階、鋪石等地面元素，并辨別其材質、標高等加以標注。

一般而言，剖面圖及立面圖的繪制以平面圖作為控制尺寸進行。橫剖選擇以建筑物的中軸線進行剖切，繪制建筑的梁架及可見的室外立面，并區分遠近透視效果。縱剖選取建筑物正座正脊進行剖切。立面圖繪制則選取建筑物的正立面和保存相對完好的一個側立面進行。

典型構件大樣圖的繪制，一般選擇雀替、斗拱、柱礎、垂花、漏窗、懸魚等進行，其主要關注細節描繪、尺寸控制等信息。部分作業還需要繪制屋頂平面圖，著重體現屋脊的分布與不同建筑單體的屋面組成，并按照排水方向示意瓦壟走向，閩地以燕尾脊居多。

五是精度評估。精度評估主要是在該作業方法與傳統方法之間進行。作業成果模型具有真實地理位置信息，同時具有較高且精細的可量測性，以閩清縣樟洋村文昌宮為例，結合網絡RTK、3″全站儀局部量測尺寸、激光測距儀人工量測尺寸及模型同部位采集尺寸，進行精度統計（如表1、表2所示）。

由表1、表2數據可知，與RTK檢查點數據的平面整體誤差為0.031米，高程整體誤差為0.033米，與全站儀量測數據的整體誤差為0.02米，與激光測距儀檢核的整體誤差為0.027米，完全滿足作業要求。

綜上所述，文章結合采用無人機傾斜和貼近攝影測量融合三維激光掃描技術的方法獲取不可移動文物的實景三維模型及真彩色點云模型，開展平立剖測繪的生產案例，闡述了多技術融合使用的優勢，為文物保護工作的順利開展提供有力支撐，具有一定示范性，值得進一步推廣。同時，獲取的高密度三維點云、實景三維模型還可為不可移動文物后期進行保護性修繕和重建工作提供重要數據支持，為打造虛擬博物館和城市元宇宙提供數據基礎。