基于多源數據的古建筑三維精細化重建

摘 要：測量技術、空間數據獲取技術、地理信息系統等多項測繪技術的更新發展，實現了真實物理世界的三維可視化建模。相較于二維，三維呈現更具直觀真實且精確的空間位置優勢。而將三維可視化建模應用于風化侵蝕嚴重的古建筑，可以保存古建筑文化遺產，實現古建筑三維精細化重建，并切實儲存精準且詳細的外形數據，具有十分重要的現實意義。本文基于多種先進的掃描與測量技術實時獲取的多源數據融合，針對西安小雁塔進行了三維模型精細化重建分析。

關鍵詞：多源數據；古建筑；小雁塔；三維建模；精細化

1 前言

古建筑作為我國獨特文化信息傳輸載體，充分反映著所處地區或區域既定時期的思想文化與風俗民情，是蘊含豐富地域文化底蘊的藝術瑰寶，同時還充分反映著人類歷史文明的演進，因此傳承保護古建筑文化遺產勢在必行。作為我國著名歷史古城，西安的歷史文化底蘊深厚且悠久，而大雁塔與小雁塔等古建筑文化更是我國優秀傳統文化的瑰寶與資產。古建筑是建筑文化的典型代表，集成了宮殿與寺廟等多樣形制，是保護與傳承的主要對象。而隨著科技發展，數字化模型的構建為古建筑保護提供了新渠道，既能夠保護古建筑而避免干擾實體，又能夠以虛擬現實技術呈現古建筑無法觸碰的精細之處，還能夠面向人們推廣古代思想文化與歷史內涵以推廣精神文化。

近幾年，古建筑測量已經逐漸趨向于三維，三維重建是建筑測量的前提條件。隨著測量測繪地理信息技術的高速更新與發展，激光掃描技術、近景攝影測量技術、傾斜攝影測量技術等一系列先進技術早已完全融入古建筑三維重建。古建筑以結構獨特與地形復雜為鮮明特征，單獨使用技術難以精細化重建。其中激光掃描技術具備非接觸性與高效精準等特征，可以迅速獲得古建筑三維坐標，但是對于空間較為狹小且結構比較復雜的區域相對受限；近景攝影測量可以高重疊率與分辨率影像對細小且復雜的建筑組件進行精細化三維重建，但是對于大面積建筑群重建卻明顯受限；傾斜攝影測量可實時獲取古建筑多角度紋理影像，且頂部區域的模型結構精細且紋理真實清晰，然而弱紋理或盲區區域的局部結構卻很容易發生扭曲與拉花現象，因此古建筑重建效果并不理想。對此，可以激光掃描技術、近景攝影測量技術、傾斜攝影測量技術等一系列高新技術實現多源數據融合，以多種技術優勢互補，以全野外測量為空間基準，提取點云數據特征點并統一坐標，以三維重建整個場景并精b1c528292679b53acb3f0f6ee6cf8898細化重建細微場景，而古建筑色彩固化或單一的組件則采取空地一體單體化技術實現局部重建。

2基于多源數據融合的古建筑三維重建流程

建筑要素是三維重建的重難點，尤其是古建筑結構三維重建。為實現精細化重建目標，前端有機結合多元化數據采集方式，以獲取各種尺度幾何與紋理信息，而后端則以近景、傾斜、點云等多源測量數據融合。通過數據預處理，以后差分解算傾斜攝影數據，基于航帶拼接、去噪、平滑、匹配等處理實現機載與點云數據預處理。添加控制點通過重建大師軟件空三結算傾斜數據，以幾何校正與區域網平差等，然后添加預處理后點云數據與軌跡線文件而匹配融合處理，從而實現三維精細化重建以生成古建筑三維模型。整個重建流程具體如圖1所示。

3基于多源數據融合的古建筑三維重建方法

3.1獲取多源數據

所謂三維重建方法即以三維激光掃描儀為載體獲取點云數據，以近景攝影測量為輔助獲取數字影像信息?；谌S激光掃描電源數據的古建筑重建本質而言是通過發射與接收激光束實時獲取點云三維坐標數據，精確高且數據源十分復雜；基于數字影像的古建筑重建本質而553b02a110a8532374a6b5a1bf4f3ed2言是匹配古建筑不同數字圖像的同名點以交叉獲取空間點真實的三維坐標，易操作且效果美觀。西安小雁塔作為古塔，身高對于觀測視角存在一定局限性，單純以三維激光掃描技術極易造成盲區存在，而近景攝影測量技術則會致使建模表面精確度下降，對此有機結合攝影測量數據能夠在一定程度上彌補激光雷達數據所存在的缺陷。為了精細化還原西安小雁塔真實的空間場景，需通過三維激光掃描技術、無人機近景攝影測量技術、傾斜攝影測量技術相結合以獲取多源數據。

西安小雁塔作為空間比較復雜的古建筑，進行點云數據掃描與獲取不僅量大且掃描周期較長，所以掃描之前需進行實地勘察以設計可行且合理的掃描策略。掃描獲取數據之后還需進行點云數據預處理以獲取古建筑三維建模所需數據。三維激光掃描點云數據獲取流程具體如圖2所示。

3.2重建三維模型

三維場景重建具體包含西安小雁塔自身及其所存儲環境模型的構建。首先針對小雁塔建筑自身和四周環境的復雜度、覆蓋范圍，以小雁塔場景重要程度和精確度相關要求，進行分類建模。具體即小雁塔內部與外部結構、紋理的精細展示模型；塔頂、塔身與地面形狀紋理的精細化模型。

Geo magic Studio基于數學模型和曲面構造原理以給定強有力的曲線提取與編輯功能；Sketch Up以易操作與強功能而快速且簡易構建、顯示與編輯三維模型；Photo Scan以高分辨率正射影像實時獲取小雁塔的色彩紋理以自動化生成三維模型。據此分別以Geo magic Studio、Photo Scan、Sketch Up建模軟件對小雁塔內部、外表面、場景進行三維建模。

數據獲取環節主要結合點云數據、影響數據與控制點數據，以便于后續模型精準重組。模型構建的關鍵在于針對不同部位精度分類建模，而環境模型則由數據測量尺度進行手動重建。基于TIN模型方式拼接組合模型以生成小雁塔三維精細化模型。

3.3實例分析

陜西省西安市小雁塔始建于唐朝，與大雁塔齊名，同為唐長安城的象征性標志。小雁塔與薦福寺的古鐘皆為關中八景之一，并稱為雁塔晨鐘，是西安市博物院的重要構成部分。小雁塔呈現為方形密檐式磚塔形態，是典型的代表性作品，原15層而今只存13層，高達43.3m，整個塔形秀麗壯觀，獨樹一幟，是唐代佛教建筑藝術遺產，同時也是佛教進入中原且融入漢族文化體系的標志。小雁塔具體如圖3所示。

由于小雁塔有所傾斜變形，因此為保護古建筑文物，以保證后期發生意外損壞的時候能夠及時進行修復。需對小雁塔的傾斜變形狀態相關歷史遺跡數據進行全面充分監測，以確保數據完整且真實，這對于基于多源數據融合進行古建筑小雁塔三維精細化重建具有不可小覷的現實意義。以三維激光掃描技術采集小雁塔內外幾何數據，同時利用無人機拍攝低空狀態小雁塔以輔助彌補所缺失的相關數據，基于所獲取立面照片有序生成小雁塔相對應的三維彩色模型。基于小雁塔形狀與周圍環境狀況合理布置導線控制網與高程控制網，以此為三維激光掃描提供可靠基準。并且于小雁塔的塔身針對性安裝反射片，以此作為攝影測量模型的定向控制點。受障礙物與光線遮擋，一測站通常不能獲取相對完整的數據信息，需多視角掃描小雁塔。就小雁塔自身與周圍環境狀況站點應距離小雁塔約50m，并選擇Faro三維激光掃描儀對各個站點進行掃描，時間控制于8min，在單站掃描點云數據和拼接后可以進一步獲取小雁塔詳細的點云數據。此外，近景攝影測量技術拍攝所獲數字影像是小雁塔三維精細化重建的主要數據來源，因此選用AscTecFalcon8無人機，搭載索尼相機，以移動地面控制系統實時控制系統設備。在航拍前需實地勘查小雁塔周圍環境，以此為無人機起飛與降落場地選取、航線規劃以及應急預案制定等奠定堅實基礎。同時，將相機分辨率設定為6000×4000，而影響獲取表面分辨率則設置為1mm/pix。對于小雁塔的單體建筑而言，可選擇飛行模式進行影像數據實時采集，而相鄰影像圖片重疊度可達65%，一共采集了662張照片。

對西安小雁塔點云數據進行預處理之后可迅速實現三維精細化建模。小雁塔模型比較復雜，涉及塔基、塔身、塔剎三部分，塔身周圍相似度高無法分辨，對于每部分真實情況皆以不同方法進行三維模型構建，以此保證建模精細程度與效率。小雁塔結構獨具特點，自下而上按照比例逐層遞減，因此對于塔身模型構建可就點云數據線劃形式構建某層塔結構模型，以夠塔身二維線段，再以擠壓與車削等二維運算、三維布爾運算構建大小不同的長方體便接與合并等處理，以生成塔身外側棱角。根據比例縮小與放大某層塔以獲得小雁塔模型，然后使用指令拼接已經構建完成的塔身模型，再微調結構以生成與小雁塔實體結構相契合的三維模型?；谏鲜隽鞒探M合建立大雁塔三維數字模型，于3DMax軟件中建立小雁塔模型后，以高像素小雁塔全景照進行模型紋理貼圖。所謂紋理貼圖實際上就是以圖像、函數或其他數據源轉變模型表面外觀，原理在于將高像素照片粘貼于多邊形，以此不僅可以加快速度，還可以提高效率，實體與模型高度近似，從而輸出小雁塔模型渲染效果圖，具體如圖4所示。

4結論

綜上所述，基于多源數據融合的古建筑三維精細化重建模型效果更為顯著，且質量實現了大幅度提升，可有效解決三維激光掃描由于建筑物遮擋而頂部信息匱乏所造成的空洞，以及無人機由于建筑遮擋視角難以采集數據等一系列問題。多源數據融合集成了三種技術，可充分獲取古建筑三維場景空間信息，提高三維建模效率與水平，在確保高精度的前提下提升了建模效率，生成了快速且有效的場景三維精細化建模機制。

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基金項目：本文系陜西服裝工程學院2023年校級科研項目“基于多源數據的古建筑三維精細化重建研究”（項目編號：2023XKZ50）。