融合無人機與相機影像的三維建模方法在古建筑保護中的應用

陳款 張小可 涂峻倫 楊正陽

摘? 要：三維數字化重建已經成為古建筑保護的重要途徑之一。無人機傾斜攝影測量技術數據采集范圍大、效率高，但由于無人機的拍攝距離較遠、存在陰影、建筑自身結構相互遮擋等很難精細、完整采集古建筑的三維數據信息。針對上述現狀，文章提出融合無人機與相機影像的三維建模方法，以桂林市月嶺古村牌坊為試驗對象，采用該方法對牌坊完成了三維重建。試驗結果證明該方法具備采集設備成本較低、現場數據采集全面、三維建模精度高等優勢，在古建筑保護中有極高的應用價值。

關鍵詞：三維重建;古建筑;無人機

中圖分類號：TU18? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0030-03

Abstract： 3D digital reconstruction has become one of the important ways to protect ancient buildings. The UAV tilt photo grammetry technology has the advantages of a wide range of data collection and high efficiency， but it is difficult to collect the 3D data information of ancient buildings precisely and completely because of the long shooting distance， shadow and mutual occlusion of the building structure. In view of the above situation， this paper proposes a three-dimensional modeling method which integrates UAV and camera images. Taking the ancient village archway of Yueling in Guilin as the experimental object， the archway has been reconstructed by this method. The experimental results show that this method has the advantages of low cost of acquisition equipment， comprehensive field data acquisition， and high precision of 3D modeling， thus having high application value in the protection of ancient buildings.

Keywords： 3D reconstruction; ancient architecture; UAV

引言

古建筑承載著悠久文化積淀，一旦損毀，古建筑本身及其承載的歷史文化信息將不復存在。基于傾斜攝影測量的三維數字化重建具有無損、快捷靈活、精度高等優勢[1]，已經成為古建筑保護的重要途徑之一。

無人機傾斜攝影測量技術作為一種新興的技術方法，在三維建模和工程測量中有著廣泛的運用前景[2]。無人機傾斜攝影技術數據采集范圍大、效率高，但由于無人機據文物拍攝距離較遠、存在陰影、建筑自身結構相互遮擋等很難精細、完整還原文物的三維數據信息。相機以其拍攝角度自由、操作靈活能對無人機影像提供有效補充。結合無人機與相機的優勢，以桂林市月嶺古村牌坊為試驗對象，提出融合無人機與相機影像的三維重建方法。

1 融合無人機與相機影像的三維重建方法流程概述

三維重建流程。融合無人機與相機影像的三維重建方法是基于傾斜攝影測量技術，其基本原理是使用無人機及相機完成對文物多角度、全方位的影像數據采集，得到文物多個角度的紋理影像;通過相關的算法識別提取出多幅影像間的同名像點，通過攝影中心、物點及像點的共線條件方程得到同名像點的概略位置，完成影像匹配;基于影像的內、外方位元素，建立與測區對應的航帶模型或區域網模型，采用解析法對多條航帶進行聯合整體平差，完成空中三角測量;通過密集匹配生成密集的三維點云;根據點的空間相對關系，構建出不規則三角網;根據紋理影像和三角形面片之間的空間關系完成紋理映射，最后輸出帶有真實紋理的三維模型。融合無人機與相機影像的三維建模流程主要分為兩個部分：影像數據采集和三維模型重建。該方法的技術流程如圖1。

2 數據采集與三維重建

2.1 實地勘察

牌坊高10.2m，長13.2m，跨度11.05m，周邊空曠，坊上雕刻全由整塊石料鏤空及浮雕而成，鏤空、浮雕部分由于相互遮擋，單一使用無人機難以完整采集其影像數據;而且無人機受數據采集的精度限制也無法精準還原牌坊刻字的三維信息。本次試驗采用無人機與相機對牌坊進行影像數據采集。

2.2 數據采集

本次試驗所用設備主要有：大疆PHANTOM4 PRO飛行平臺、索尼α6000相機、高拍架、反光板等。

使用反光板對牌坊的鏤空部位進行補光，采用無人機距牌坊約5m處環繞牌坊進行影像采集;無人機采集完成后采用相機對牌坊的關鍵部分進行補拍，通過調整相機焦距或移動相機保證采集影像的重疊度;使用高拍架采集牌坊上方部分的影像。通過拍攝距離與影像采集范圍的關系，確保無人機與相機影像之間的重疊度不低于75%。通過公式（1）計算出無人機在距牌坊5m處拍攝的橫向間距0.67m，縱向間距0.41m;相機在焦距設置為16mm時在距牌坊2m處拍攝的橫向間距0.48m，縱向間距0.32m。

式中：l為拍攝距離;f為鏡頭焦距;worh為寬或高（水平方向或垂直方向）。

2.3 三維重建

PhotoScan依據一系列圖像中對應元素間的視差，反推所拍攝物體的幾何形狀和在空間中的位置，從而生成數字三維模型，在建筑遺產數字測繪有廣泛應用[3]。對所采集影像進行消畸變處理后，將其導入PhotoScan完成空三計算，如圖2。

目前應用最廣泛的基于數碼照片生成全景三維模型的軟件是Bentley公司的ContextCapture，能夠基于數字影像照片全自動生成高分辨率真三維模型[4]。將空三計算任務導入ContextCapture，進行三維重建，輸出帶有真實紋理的牌坊三維模型，如圖3。

3 三維模型精度分析

對比基于無人機傾斜攝影的三維重建模型，融合無人機與相機影像的牌坊在整體的質量上都有了明顯提升，尤其在浮雕及鏤空部分，如圖4和圖5。

采用ArtecTMEva手持三維掃描儀（標稱精度0.1mm）建立牌坊的部分三維點云模型，以點云模型為參照對象，用以評估融合無人機與相機影像的三維建模方法所建牌坊三維模型的精度。

分別測量兩組三維模型中的同一特征點坐標，如圖6。共30組的坐標偏差檢測結果如表1。

分析表1中數據可知，牌坊三維重建模型的最大偏差為0.89mm，平均中誤差為0.47mm。

4 結論

融合無人機與相機的三維建模方法能詳實記錄古建筑的外觀及三維尺寸信息，為日后的維護、修繕甚至重建提供了有力的數據支撐。通過對桂林月嶺市月嶺牌坊的三維重建試驗得出該方法有以下優勢：

（1）結合無人機與相機對古建筑進行影像數據采集，所獲取的數據信息完整、全面。

（2）采用消費級無人機與非量測相機對古建筑進行影像數據采集，設備成本低，有助于大規模推廣。

（3）通過對月嶺牌坊的試驗證明該方法的測繪精度高，所建三維模型的最大偏差為0.89mm，平均中誤差為0.47mm。

綜上所述，融合無人機與相機影像的三維建模方法在古建筑保護中有非常高的實際應用價值，并且具有良好的推廣前景。

參考文獻：

[1]孫保燕，楊正陽，陳款，等.融合航攝影像與地面照片三維重建技術在考古中的應用[J].科學技術與工程，2019，19（17）：262-266.

[2]周夢宇.基于傾斜攝影測量的三維建模技術[J].中國科技信息， 2019（07）：84-85.

[3]吳嘉琦，胡振宇，石佳惠.基于PhotoScan的建筑攝影測繪中圖像采集優化研究[J].城市建筑，2020，17（05）：90-93.

[4]陳曦.傾斜攝影技術在集通高速公路通化連接線項目建設管理中的應用[J].信息與電腦（理論版），2018（19）：31-33.