三維激光點云聯合無人機影像的古建筑重建

張文春，范洪洋，劉永吉，林 楠，張海明

(1. 吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，吉林 長春 130118； 2. 吉林大學地球探測科學與技術學院，吉林 長春 130026)

中國古建筑被人們喻為“矗立在中華大地上的史書”，以其獨具特色的建筑風格而備受關注[1-2]。近些年來，對古建筑的保護工作雖然在不斷開展，但卻多為傳統方式。由于古建筑本身存在易損壞、不穩定等特點，在施測過程中，往往會造成不可逆的毀滅性破壞[3-4]。因此，探索出一套對古建筑“零破壞”的保護施測方案，刻不容緩。國內外的許多專家學者都曾試圖通過新型的測量手段對古建筑進行重建，其中文獻[5]利用三維激光掃描儀和紅外熱像儀對位于Cosenza的教堂和修道院進行掃描并創建模型，得出一種針對古建筑保護的綜合方案。文獻[6]通過快速得到古建筑三視圖，在結合古建筑先驗知識的情況下，提出利用點云重建建筑投影正向設計出古建筑模型的思想。文獻[7]利用點云進行逆向建模，通過量取特征線、特征面的角度和尺寸等信息，最后通過正向設計得到古建筑模型。上述實例雖然都創建了古建筑的模型，正向或逆向得到了二維設計圖紙，但都存在著一些問題。例如，建模精度難以滿足室內外一體化的要求，點云的“空洞”區(如屋頂部分)模型和圖紙精度較低等。本文以哈爾濱紅霞街99號外僑私邸為依托，綜合運用三維激光掃描、無人機航測、高精度正射影像繪圖等技術，提出一種高效、實用的圖紙復原及模型創建的研究方案，是古建筑重建的一種新思路，對古建筑保護有著重要的價值。

1 數據獲取與處理

1.1 數據獲取

本試驗采用德國Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀對古建筑室內外進行掃描，為了保證點云數據的完整及繪圖與建模的精度，首先對古建筑進行踏勘環視，規劃出室內外最佳掃描路線，保證站站間重疊度在10%以上，測量距離不超過15 m，開啟全景拍照模式對古建筑進行拍照，最終獲得102站掃描數據。室內、室外掃描站位置如圖1、圖2所示。顧及點云數據內業測站配準的需要，在掃描的同時繪制各掃描站位置關系圖、室內外銜接關系草圖、不同樓層間貫通關系圖及儀器異常參數等，最后對點云數據的“空洞區”(點云數據缺失)進行記錄和標注。本試驗采用的無人機為精靈Phantom 3 Advanced無人機，通過傾斜攝影的方式，獲取古建筑樓頂、各立面高清航拍圖，利用篩選和分類后的影像圖來彌補點云數據的不足。拍照過程采用多角度手動拍照模式，照片最大分辨率4000×3000像素，拍攝距離小于20 m。無人機拍攝的樓頂與西立面如圖3、圖4所示。

1.2 數據預處理

本文采用最鄰近迭代配準(iterative closest point，ICP)算法完成測站的配準工作，ICP算法是一個迭代優化的過程，通過不斷對變換矩陣進行優化，最終得到最優變換矩陣R和T，使得多次迭代后得到的目標函數最小，即

(1)

多次迭代后，計算前后兩次迭代結果誤差ε，若滿足要求則停止迭代，若不滿足則重復迭代[4]。

(2)

2 古建筑重建

2.1 創建正射影像

在點云數據預處理的基礎上，對古建筑的各側面、剖面、細部結構等進行點云正射影像的創建。正射影像的創建是通過設框選擬創建點云影像的區域，將區域內的點作法平面的正射投影，得到基于法平面的灰度圖如圖7所示。通過逐層、逐立面、逐細部創建的方式得到繪制古建筑平、立、剖面圖及創建模型所需的所有圖像如圖8所示。

2.2 繪制古建筑平、立、剖面圖及三維模型

本試驗基于Autodesk CAD平臺，利用繪制完成的正射影像描繪出古建筑的平、立、剖面圖。對于點云數據缺失、正射影像不清晰的部位則通過無人機影像對其進行補繪。繪制過程嚴格按照《混凝土結構施工圖》(11G101)、《民用建筑設計通則》等相關規范進行繪制[9]。以繪制完成的二維圖紙為基準，配合無人機影像及點云數據完成對古建筑三維模型的創建。東、南、西、北立面圖如圖9所示，剖面圖如圖10所示，一層平面圖如圖11所示，三維模型如圖12所示。

2.3 精度分析

表1 圖紙精度分析 mm

3 結 語

本文以哈爾濱紅霞街99號外僑私邸為例，詳細闡述了基于三維激光掃描技術和無人機航測技術的古建筑重建過程，為古建筑的重建提供了新的研究思路。研究得出：①采用三維激光點云數據與無人機影像結合的方法，避免了傳統測量手段對古建筑的“二次傷害”，以數字化三維模型的形式和AutoCAD格式的平、立、剖面圖形式能更精確地再現、記錄、重建古建筑。②基于創建完成的古建筑三維模型，可通過對墻體、門、窗等構件尺寸數據的調用，實現古建筑保護過程中的全生命周期管理，對古建筑的保護及重建有重要意義。