實景三維在古建保護中的應用

儲俊峰

摘要：古建是重要的歷史文化組成成分和地方名片，一方面，隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展和國家對中國傳統(tǒng)文化的大力保護與支持，特色古建越來越成為拉動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、提升地方影響力的有效載體;另一方面，隨著中國城市化以及城市建設的飛速發(fā)展，城市建設者將面臨城市現(xiàn)代化建設與大量城市歷史遺存的文物性建筑保護之間的矛盾。通過高精度的三維數(shù)字化技術，可以打造技術先進、信息化程度高、智能化、沉浸式的古建展示和體驗內(nèi)容，便于古城特色的推廣和互聯(lián)網(wǎng)傳播。同時，生動立體的三維古建成果，可以提供準確時空位置關系，結合交通、市政、民生等專題數(shù)據(jù)，可以服務于公眾、政府、企業(yè)，為古城的保護、管理、改造和防災等一系列工作提供科學依據(jù)。本文以屯溪老街為例說明實景三維在古建保護中的應用。

Abstract： Ancient buildings are important historical and cultural components and local business cards. On the one hand， with the vigorous development of tourism and the strong protection and support of China's traditional culture， characteristic ancient buildings are increasingly becoming an effective carrier to promote local economic development and enhance local influence; on the other hand， with the rapid development of China's urbanization and urban construction， urban builders will face the contradiction between the construction of urban modernization and the protection of a large number of historic buildings. Through high-precision three-dimensional digital technology， we can create advanced technology， high degree of information， intelligent， immersive exhibition and experience content of ancient buildings， which is convenient for the promotion of ancient city characteristics and Internet communication. At the same time， the vivid three-dimensional achievements of ancient buildings can provide accurate space-time location relationship， combine traffic， municipal， people's livelihood and other thematic data， serve the public， government and enterprises， and provide scientific basis for the protection， management， transformation and disaster prevention of the ancient city. This paper takes the old street of Tunxi as an example to illustrate the application of three-dimensional real scene in the protection of ancient buildings.

關鍵詞：傾斜攝影;實景三維;古建;屯溪老街

Key words： oblique photography;real scene 3D;ancient building;Tunxi old street

中圖分類號：P283.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0215-02

0 ?引言

屯溪老街是古徽州文化的載體與徽商的歷史見證，是工藝精湛的徽派建筑的完美體現(xiàn)。采用傾斜相機和小型多旋翼無人機，對屯溪老街及周邊地區(qū)進行了高精度三維景觀模型重建數(shù)據(jù)采集，并且對實景三維模型在古建中的應用進行了研究。

1 ?三維模型建構

屯溪老街實景三維建模采用低空無人機航空攝影測量，通過全自動智能化航線規(guī)劃平臺開展無人機航測，獲取屯溪老街所在地區(qū)的帶絕對位置信息的無人機傾斜影像數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)主要指生成帶紋理的三維地形模型，用重建大師自動建模軟件進行三維重建，主要作業(yè)流程包括像片控制點選擇與刺點，空中三角測量和模型重建，完成整個老街區(qū)域的三維重建。三維模型生產(chǎn)流程如圖1所示。

1.1 像片控制點選擇與刺點 ?①像片控制點距數(shù)字影像邊緣的距離應不小于1mm;②像片控制點目標應選刺在有明顯拐角地面物體的角點、圓形地面物體的中間位置等;③像片控制點辨認精度，不應大于圖上0.2mm，應滿足1：1000測圖精度要求;④根據(jù)屯溪老街的地理參考資料，在選擇刺點前確定使用的空間參考即投影坐標系。

1.2 空中三角測量 ?通過建立連接點和像控點坐標文件，結合POS信息，實現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算，最終得到符合精度要求的空三成果。參考傳統(tǒng)空三國家規(guī)范要求經(jīng)過大量測試得出結論：重投影中誤差應小于1個像元，個別困難地區(qū)可適當放寬要求。

①相對定向精度：由于采用了新型無人機數(shù)據(jù)處理軟件，其相對定向指標采用反投影誤差來表示。②控制點和加密點測量按下列要求執(zhí)行：對外業(yè)提交的像控點和外業(yè)檢查點根據(jù)點位略圖與說明，進行綜合判點后，準確確定其點位;本項目采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差進行空中三角測量平差，區(qū)域網(wǎng)平差計算結束后，基本定向點殘差不大于規(guī)范規(guī)定的加密點中誤差的0.7倍限值（即±0.245m），檢查點誤差不大于加密點中誤差的1.2倍限值（即±0.42m），區(qū)域網(wǎng)間公共點較差不大于加密點中誤差的2倍限值（即±0.7m）;高程誤差不大于加密點高程中誤差的0.7倍限值（即±0.28m）。③空中三角測量平差完成后，提交區(qū)域網(wǎng)點位略圖和自動化空中三角測量平差報告，檢查和使用發(fā)現(xiàn)有錯的外業(yè)控制點，做好作廢記錄說明。

1.3 模型重建

1.3.1 數(shù)據(jù)分塊 ?根據(jù)作業(yè)區(qū)地理特征情況，便于生產(chǎn)作業(yè)，將測區(qū)分成多個作業(yè)分區(qū)，然后根據(jù)每個作業(yè)分區(qū)的面積具體劃分作業(yè)子區(qū)，再按照每個作業(yè)子區(qū)實際范圍劃定建模區(qū)域，根據(jù)作業(yè)子區(qū)中心點為原點，自動進行分塊（tile）。

1.3.2 點云匹配 ?基于空三平差輸出的外方位元素成果，傾斜攝影處理軟件可以自動將影像進行匹配，組成三維像對，對區(qū)塊內(nèi)包含的所有三維像對分別進行點云匹配計算。

1.3.3 三角網(wǎng)生成 ?經(jīng)過空三加密可獲取大量高密度的點云數(shù)據(jù)，再由密集點云構建不規(guī)則空間三角網(wǎng)，并生成無紋理的三維白膜。

1.3.4 紋理貼圖 ?由傾斜攝影影像處理軟件的特殊紋理映射算法對白膜自動賦予紋理，最后輸出表面紋理清晰逼真的真實景三維模型。最終模型成果如圖2所示。

2 ?應用方向

2.1 三維規(guī)劃 ?通過“空中全景+多視角傾斜攝影建模+地面街景”三合一手段，對屯溪老街進行高精度數(shù)字化，可保留古城1：1的真實樣貌，高保真的還原整個現(xiàn)實場景，實現(xiàn)整個規(guī)劃建設過程真實可視化，為科學規(guī)劃建設提供實時依據(jù)。

2.2 保護監(jiān)測 ?通過對多次采集的三維場景進行系統(tǒng)自動比對，找到可能的變化點，并提供詳細坐標地點，準確發(fā)現(xiàn)違章搭建、損毀破壞情況，對屯溪老街進行精準智能的保護監(jiān)測。如圖3所示。

2.3 安全監(jiān)控 ?基于二三維聯(lián)動的GIS地圖管理支持監(jiān)控中心設備;管理人員可基于三維場景實時調(diào)用指定地點監(jiān)控設備，及時了解任意地區(qū)的安全情況;項目前期規(guī)劃布設監(jiān)控檢測設備時，利用實景三維數(shù)據(jù)合理布設攝像頭，進行視域分析確保無監(jiān)控死角。

2.4 科學管理 ?以三維實景數(shù)據(jù)為基礎的空間信息技術可作為智慧景區(qū)智慧城鎮(zhèn)管理系統(tǒng)的底層基礎平臺，結合地理空間位置信息，將各種傳感器信息、大數(shù)據(jù)接入、管理、和分析，提高管理系統(tǒng)的智能化水平，使各類數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，同時也極大的提升管理效率，提高居民和游客的生活體驗。如圖4所示。

2.5 互動查詢 ?在古城景區(qū)內(nèi)的游客中心或各種移動設備上設置電子互動屏，可以通過互動屏自主查詢信息，了解動態(tài)，觸摸瀏覽三維數(shù)據(jù);訪客可在互動屏的實景三維數(shù)據(jù)平臺上，自主規(guī)劃路線，根據(jù)個人興趣和城區(qū)人流量情況合理安排游玩時間，實現(xiàn)真正意義上的智慧旅游。

3 ?結語

我們?nèi)祟惖暮芏嗷顒佣寂c地理空間位置有關，隨著信息時代的到來，人們對地理信息數(shù)據(jù)的需求更加強烈，傾斜攝影技術的發(fā)展，也為古建的保護及應用提供了嶄新的技術手段。實景三維模型更符合人類的視覺感官，可以體現(xiàn)最真實的環(huán)境，場景效果也會得到最完美的展現(xiàn)。在實景三維系統(tǒng)中，可實時進行項目調(diào)整、規(guī)劃設計及構思，輔助公眾進一步理解規(guī)劃設計方案。隨著科技發(fā)展的日新月異和人們物質(zhì)生活的需要，社會各個領域?qū)嵕叭S模型的需求也是越來越強烈，基于傾斜三維模型數(shù)據(jù)的應用也將會越來越廣闊。

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