基于多種技術手段的歷史建筑精細測繪

葉珉呂

(佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000)

1 引 言

歷史建筑是人類歷史發展過程中產生的瑰寶，有著重要的歷史價值、科學價值、藝術價值、社會價值和經濟價值，故對于歷史建筑的保護刻不容緩。通過對歷史建筑進行精細測繪，獲取其三維模型、平立剖面圖等成果，作為歷史建筑規劃保護和修復等工作的第一手數字檔案資料，具有深遠的意義。

測繪技術為歷史建筑精細測繪提供了各種各樣的手段，推動了歷史建筑三維空間數據獲取向著集成化、實時化、動態化、數字化和智能化的方向發展[1]。目前，歷史建筑測繪的主要手段有全站儀法、攝影測量法及三維激光掃描法等，其中三維激光掃描技術以其數據獲取速度快、實時性強、精度高及非接觸式測量等優點被廣泛應用于北京故宮、敦煌莫高窟等歷史建筑的精細測繪項目中[2～10]。但由于三維激光掃描技術自身的特點，對于遮擋嚴重、封閉或建筑物之間較為密集的隱蔽區域，將無法獲取完整的點云數據；且對于如屋頂、山墻等較高位置紋理圖像的采集，僅采用人持數碼相機拍攝的方式一般無法獲取較為正視的圖像，這對后續的圖像處理及紋理貼圖等工作將帶來較大困難。因此，單一的技術手段將無法滿足歷史建筑全面、高精度的測繪需求，本文結合佛山市禪城區歷史建筑精細測繪項目實踐，提出集成三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數碼相機等技術手段的歷史建筑精細測繪方法，并通過實例驗證其可行性。

2 技術方法

2.1 項目背景

佛山市禪城區歷史悠久，是中國古代“天下四大鎮”和“天下四大聚”之一，擁有眾多的歷史建筑。此次項目將對禪城區內優先推薦的61處歷史建筑進行精細測繪，獲取其三維模型、平立剖面圖等成果，并將上述成果與規劃管理平臺對接，實現歷史建筑規劃保護和修復的信息化管理。優先推薦的61處歷史建筑跨越不同時期、風格各異、大小不一，主要包括宅第民居、工業建筑、壇廟祠堂、名人故居、亭臺樓闕等等，且測量條件各不相同，項目成果需滿足《城市三維建模技術規范》、《佛山市三維模型技術規范(試行)》中建筑精細模型(Ⅰ級模型)及《地面三維激光掃描作業技術規程》等相關技術要求。針對上述情況及成果需求，項目充分利用當前各種先進的測繪手段，集成三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數碼相機等進行歷史建筑的精細測繪，其主要技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖

2.2 控制網布設

控制網布設的目的是將項目所有測繪成果納入到城市統一的坐標系、高程系中去。項目首先圍繞每處歷史建筑進行控制點布設，平面坐標采用網絡RTK(CORS)或全站儀導線測量的方式，高程采用水準測量的方式，每處歷史建筑至少布設3個以上的控制點，精度根據《地面三維激光掃描作業技術規程》等相關規范的規定，平面精度滿足城市二級點的要求，高程精度滿足四等水準點的要求。

2.3 三維激光掃描

歷史建筑精細測繪主要采用三維激光掃描技術手段，所采用的三維激光掃描儀如圖2所示，為相位式的FARO Focus3D330，掃描距離為 0.6 m～330 m，測量速度最高為 976 000點/秒，標稱精度為 ±2 mm，滿足《地面三維激光掃描作業技術規程》中一等儀器指標的要求。各站點云數據拼接所采用的標靶為圖3所示的儀器配套標靶球，相鄰站之間一般高低錯落地均勻布設不少于3個標靶球。

圖2 三維激光掃描儀

圖3 標靶球

對于屋頂等較高位置的掃描，一般借助周邊較高建筑設站，必要時搭設臨時的升降平臺架設掃描站。對于無法獲取完整點云數據的隱蔽區域，采用全站儀、激光測距儀等常規測量手段獲取數據。

2.4 紋理圖像采集

采用不低于1 000萬像素的數碼相機獲取模型的紋理圖像，選擇光線較好的時間段、從整體到局部進行拍攝。對于如屋頂、山墻等較高位置紋理圖像的采集，采用人持數碼相機拍攝的方式有時無法獲取圖像，或無法獲取較為正視的圖像，項目采用如圖4所示的DJI旋翼無人機進行拍攝，能夠獲取較高位置的正視圖像(如圖5所示)，極大減少了后續圖像處理及紋理貼圖等工作的工作量，提高了工作效率。

圖4 DJI無人機

圖5 無人機圖像

2.5 點云數據處理

外業掃描獲取歷史建筑的點云數據后，內業的點云數據處理主要包括點云拼接、點云去噪及點云封裝等。點云拼接通過在儀器配套軟件FARO SCENE中自動搜索各站同名標靶球進行自動拼接(如圖6中綠色標靶球所示)，拼接后的平均精度均為mm級別。

圖6 點云拼接

點云去噪同樣通過在配套軟件FARO SCENE中自動或輔以人工判別的方式去除離散點、行人、樹木等噪聲數據。

將去噪后的點云數據導入GeomagicStudio軟件中進行點云三角化封裝，封裝后的數據如圖7所示。后續的三維建模將直接基于封裝后的點云數據進行。

圖7 點云封裝

2.6 圖像數據處理

受拍攝角度及拍攝環境等的影響，外業所采集的部分紋理圖像存在非正視、變形、曝光過度、曝光不足、陰影等情況，項目采用Photoshop軟件，通過裁剪、圖形變換等工具進行變形糾正，將圖像調整為正視圖像；通過仿制圖章、污點修復畫筆等工具消除圖像中的一些噪聲點；通過亮度、對比度等工具進行色彩調整。

對于墻體、地面等較大面積的物體，受拍攝條件的限制，一般無法獲取整體的圖像，紋理貼圖時通常采用“以點代面”[3]平鋪的方法，即僅采集小面積、具有代表性的圖像(種子圖像)，通過不斷重復平鋪的方式進行紋理貼圖。這時同樣需要通過在Photoshop軟件中對種子圖像進行裁剪、色彩調整等，使得平鋪后的紋理實現無縫過渡，相鄰處不會出現明顯的“突兀”現象。

2.7 三維建模、紋理貼圖

項目主要采用3ds Max軟件進行三維建模及紋理貼圖。將上述封裝好的點云數據導入3ds Max軟件中，對于建筑物的墻體、門窗、梁柱等較為規則的結構可直接在軟件中采用相應的球面、弧面、柱面、平面等基本幾何體根據點云數據進行制作；對于斗拱等較為復雜的組合式結構，一般將其組成部件分開制作，最后合并成為一個物體；對于更為復雜的浮雕、塑像等不規則構件，一般單獨提取其點云數據，先在GeomagicStudio軟件中進行三角化封裝，經孔填充、邊修補、細化、光滑處理等優化步驟建成精細模型后，再導入3ds Max軟件中與其他構件一起組成一個整體，如圖8所示。對于缺少點云數據的隱蔽區域，根據全站儀或激光測距儀所觀測的點位、尺寸等數據進行三維建模。

基本模型建好后，對各個構件采用對應的圖像進行紋理貼圖，圖9為某處歷史建筑未貼圖模型，圖10為其貼圖后的最終模型。

圖8 復雜構件單獨建模

圖9 未貼圖模型

圖10 最終模型

2.8 平、立、剖面圖制作

三維模型完成后，在3ds Max軟件中通過切片工具分別從俯視、正視等方向對三維模型進行切片，獲取制作平、立、剖面圖所需的切片數據，并將切片數據導出為DWG格式，最終通過在AutoCAD軟件中對DWG格式的切片數據進行一定的編輯和尺寸標注，形成歷史建筑的平、立、剖面圖成果(如圖11所示)。

圖11平、立、剖面圖

3 結果與精度分析

項目共完成了禪城區優先推薦的61處歷史建筑精細三維模型及平、立、剖面圖的制作，圖12展示了項目不同類型歷史建筑中典型的模型成果，包括工業建筑、壇廟祠堂、名人故居、亭臺樓闕等等。

圖12 不同類型歷史建筑模型

對于三維模型成果，采用現場比對的形式進行檢核，主要包括模型的完整性檢查(模型各個組成部分的錯、漏情況)、模型紋理貼圖的準確性、完整性、協調性檢查(模型紋理的準確性、清晰度以及紋理與模型的一致性等)、模型及紋理數據命名的正確性、規范性檢查等[11]。由于采用了三維激光掃描、無人機等多種測繪新技術，能夠實現所見即所得，而且采用全站儀等常規方法進行查漏補缺，因此項目三維模型成果在完整性、一致性等方面均能滿足《城市三維建模技術規范》、《佛山市三維模型技術規范(試行)》等相關規范的要求。而模型制作的準確性采用激光測距儀(測距標稱精度為 ±1 mm)對平、立、剖面圖中所標注的歷史建筑的尺寸進行實地檢核，檢核結果皆滿足《地面三維激光掃描作業技術規程》中平、立、剖面圖制作的要求(尺寸檢核相對誤差不大于1/200)，表1給出了部分歷史建筑尺寸的檢核情況。

歷史建筑尺寸檢核表 表1

4 結 語

本文結合佛山市禪城區歷史建筑精細測繪項目實踐，提出了基于三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數碼相機等技術手段的歷史建筑精細測繪方法，最終成果表明該方法具有較高的可行性，形成了完整的內外業作業流程，可為類似項目提供一套完整的技術方案。項目將所有成果與規劃管理平臺對接，實現了歷史建筑規劃保護和修復的信息化管理，下一步計劃與VR(虛擬現實)等前沿技術相結合，實現歷史建筑的虛擬瀏覽等應用。

[1] 胡慶武，王少華，劉建明等. 多測量手段集成古建筑物精細測繪方法-以武當山兩儀殿為例[J]. 文物保護與考古科學，2013，25(2)：39～44.

[2] 王莫. 三維激光掃描技術在故宮古建筑測繪中的應用研究[J]. 故宮博物院院刊，2011(6)：143～156.

[3] 化蕾，黃洪宇，陳崇成等. 基于激光點云數據的客家土樓三維建模[J]. 遙感技術與應用，2015，30(1)：115～122.

[4] 才震寧，倪堯. 古建筑精細三維模型制作及虛擬現實系統的實現[J]. 現代測繪，2013，36(1)：35～37.

[5] 張維強. 地面三維激光掃描技術及其在古建筑測繪中的應用研究[D]. 西安：長安大學，2014.

[6] 李寶瑞. 地面三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用研究[D]. 西安：長安大學，2012.

[7] 饒金通. 古建筑的三維數字化建模與虛擬仿真技術研究[D]. 廈門：廈門大學，2006.

[8] 楊永. 古建筑數字化保護關鍵技術研究[D]. 鄭州：河南大學，2010.

[9] 張雯. 利用地面LiDAR重建古塔三維模型[D]. 南京：南京大學，2014.

[10] 白成軍. 三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用及相關問題研究[D]. 天津：天津大學，2007.

[11] CJJ/T 157-2010. 城市三維建模技術規范[S].