融合多平臺影像的紹興古代石橋三維精細數字化保護

朱春成 李世明,2 申 迎

(1. 四川視慧智圖空間信息技術有限公司, 成都 四川 610083; 2. 西南交通大學 地球科學與環境工程學院, 成都 四川 611756; 3. 浙江中海達空間信息技術有限公司, 德清 浙江 313200)

0 引言

作為我國首批歷史文化名城之一,紹興是江南地區著名的水鄉澤國,全市現有橋梁萬余座,其中各類古橋有703座且大多為古代石橋,構造堅固,至今仍有使用,是極具特色的大宗文化遺產[1]。隨著時間流逝,古代石橋不斷受到自然和人為活動的破壞,文物保護刻不容緩。精細三維數字化重建可以探測和保存古代石橋精準的幾何結構和豐富的紋理信息,已經成為文物保護工作的重要資料[2]。但是,古代石橋具有復雜的輪廓表面、豐富的雕刻細節和相對龐大的體積,實現古代石橋精細化三維建模成了行業難題之一。

歷史構筑物的數字化保護最早利用CAD結合人工調繪開展[3],軟件3D Studio Max(簡稱3D MAX)等專業的三維建模引擎和三維激光掃描技術的集成逐漸成了三維建模的主要方法[4],但多站點激光掃描、人工交互式重建和紋理貼圖需要大量的人力投入,而且受限于作業人員的工作經驗。隨著傾斜攝影測量實景三維建模技術的興起和不斷進步,豐富的紋理信息和高自動化的數據處理過程為歷史構筑物的保護性三維重建提供了新的選擇[5],但是依然難以兼顧古代石橋保護中大場景范圍和局部細節保真的重建需求[6]。

為了保證古代石橋三維重建模型的完整度、精細度和準確度要求,本文提出了一種融合空地遠近景影像的古代石橋保護性精細三維重建方法,首先基于無人機平臺進行整個場景的傾斜攝影測量數據采集,接著在地面視角對橋梁的局部精細結構和橋底等視線未覆蓋區域補拍影像數據,隨后通過空地影像的聯合處理,實現了古橋整體場景和局部精細結構的完整精細重建,最后根據數字化保護需求,將分割后的橋體三維點云按多個視點方向進行投影并繪制矢量大樣圖數據。本文提出的方法成功應用在紹興市古橋群三維重建保護實踐中。

1 數字化保護數據采集方法介紹

對于古代石橋的數字化保護測繪,已經廣泛地采用了新型測繪遙感技術,主流的方法主要有基于地面測繪、基于激光掃描和基于影像遙感三大類別。傳統地面測繪通常用于文物發掘現場,采用全站儀、水準儀等傳統測繪設備,基于稀疏的地形結構點采樣進行內業數字化成圖[6]。這種方法需要現場草圖繪制,依賴制圖人員經驗,且二維的矢量圖成果難以滿足多樣的應用需求。

激光掃描是一種主動式遙感方法,有航空、車輛、地面站點、背包式等多種平臺可供選擇,以適應不同的采集任務[7]。在文物保護和考古發掘領域,激光掃描已經得到了較為廣泛的應用[8],但是仍然有兩個方面的限制。其一,是激光掃描設備難以記錄準確的目標紋理。雖然設備通常集成數碼相機并可將影像紋理映射到離散的三維點云上,但是這種紋理映射的準確程度較低并只有表層,缺乏縱深數據[9]。其二,離散的三維點云通常冗余度較高并存在孔洞,自動化建模會出現大量的拓撲錯誤[10]。

隨著傾斜攝影測量近年來的快速發展,被動式的影像遙感方法具有更高的自動化程度和更豐富的紋理表現效果[11]。無人機平臺搭載多視角傾斜攝影測量相機已經成為主流,可以在近地面高度從垂直、傾斜多個視角獲取高分辨率影像,利用ContextCapture等軟件可以高自動化地獲取三維實景模型[12]。對于古代石橋底部或具有精細雕刻結構的石橋局部細節,則需要補拍近距離影像作為補充。在空中三角測量平差時,利用同名點建立空地影像的聯系,以得到統一的空中三角測量加密成果,獲取更為準確的三維重建結果。

2 融合空地影像三維精細重建

紹興古橋群由13座元至民國時期的石橋組成,分布于紹興市區和柯橋區,屬于全國重點文物保護單位,具有極高的文物保護價值。本文以廣寧橋和涇口大橋為示例,以驗證本文提出方法的有效性。其中廣寧橋始建于南宋高宗前,是紹興現存最長七折邊形單孔石拱橋,橋拱下有纖道,是橋上橋下兩條道路交叉通行的“古立交橋”。券頂鐫《鯉魚跳龍門》《金龍伴玉兔等六幅圓型石雕》,橋拱石上有刻文,現有“萬歷二年”“會稽廿三都章家,壽命延”“山陰、信官”等字可識[13]。涇口大橋始建于清乾隆前,由三孔馬蹄形拱橋與三孔石梁橋組成,拱橋在北,梁橋在南,橋身東西兩側飾獅頭長系石,間壁陰刻楷書橋聯,橋欄兩面飾以浮題圖案,望柱頭雕蓮瓣和蹲獅。此二橋皆歷史悠久,具有豐富的雕、聯、圖、字,且受破壞損毀痕跡重,亟須搶救性三維重建。

2.1 技術路線

融合空地影像三維建模技術路線如圖1所示。

圖1 融合空地影像的古代石橋三維數字化保護技術路線

2.2 空地影像數據獲取

2.2.1無人機傾斜攝影測量

在紹興古代石橋的空中影像獲取過程中,采用DJIM600Pro無人機平臺,搭載5鏡頭傾斜攝影測量相機睿鉑DG-3。該設備可同時采集一個垂直視角和四個傾斜視角的彩色影像數據,正視焦距28 mm,側視焦距40 mm,總像素數1.2億個。單架次有效航時30 min,在航線規劃時相對航高設置為120 m,則地面采樣距離(Ground Sample Distance,GSD)可達到5 cm以內,單架次可完成0.5 km2的數據采集任務。

由于古代石橋所處環境復雜,植被遮蔽多且橋體局部細節豐富,在數據采集任務中傳統航測的均勻平行航帶設計不同,本項目的無人機傾斜航飛過程采取了手工操控繞飛的方式進行,盡可能地采集更為豐富紋理和更全面地覆蓋古代石橋。以涇口大橋為例,無人機航飛采集了770張影像,航飛高度從30～80 m不等。

2.2.2地面影像補拍

地面影像可以突破空中視角限制實現石橋底部的信息采集,并可以更高的分辨率獲取古代石橋豐富的細節雕刻結構。地面視角影像需要具有較高的相鄰影像重疊率,且需要確保地面影像和空中影像數據的重疊度,便于后續影像的聯合平差。空地影像的配合可以提高古代石橋信息采集的完整性。本項目采用了索尼Alpha 7RⅡ相機,單張影像有效像素數可達4 200萬個,焦距為35 mm。

在古代石橋地面影像拍攝過程中,由于橋下河道航船駐留困難,本項目采用了手持相機拍攝和無人機結合云臺單相機側拍相結合的模式。對于橋拱下和橋側底部區域,本項目將單鏡頭相機結合云盤掛載到無人機平臺上,由飛控手由遠及近采集連續影像。對于橋欄石雕、橋聯等行人可達的重點保護對象,手持相機進行圍繞式拍照,確保了石橋豐富細節的完善數據采集。以涇口大橋為例,機載單鏡頭側視拍照440張,手持相機拍照257張。

2.2.3像控點采集

為了獲取具有真實地理坐標的三維重建結果,本項目需要進行像控點的準確測量。考慮到三維重建結果應盡量保持古橋本身的表面紋理,且古橋本身具有大量容易識別的結構特征點,因此本項目像控點不再布設靶標,而是利用了全站儀免棱鏡測量橋體結構特征點三維坐標,特別是臺階角點、橋欄頂點、橋雕拐點、地面磚縫接口等。以涇口大橋為例,全站儀像控點采集35個,視距不超過100 m,確保了空三處理環節具有足夠數量的像控點數據。

2.3 實景三維重建

本次工程采用了ContextCapture軟件進行數據處理。該軟件支持顯卡GPU計算,支持多臺工作站并行集群式運算,可有效縮短三維建模周期。整體數據處理的過程采用了標準的多視立體匹配和三維重建工作流[12],如圖2所示。數據導入后,首先進行空中三角測量以獲取空中影像和地面影像的絕對定向元素,恢復準確的立體關系,隨后進行多視密集匹配,得到三維重建結果。

圖2 三維重建流程

空地影像數據由于具有不同的內方位元素,在數據導入環節進行了分組,并進行像控點的刺點,輸入全站儀測量獲取的像控點全局坐標系的三維坐標。接著,利用軟件進行自動連接點計算。由于空地影像具有顯著的尺度差異和視角差異,且難免會受到植被覆蓋等導致的遮擋帶來的干擾,因此通常會存在連接點錯誤、局部連接點匹配數量不足的情況發生。如果地面補拍的影像存在明顯畸變或取景范圍太小,也會導致部分影像無法建立連接的情況發生,必要時需要人為交互式的調整連接點。涇口大橋的空中三角測量結果如表1所示。

表1 涇口大橋空中三角測量結果報告

基于空中三角測量得到的空地影像絕對定向結果,通過多視影像密集匹配,可以計算得到場景三維彩色點云數據,并利用點云構建多層級自適應三角網模型。通過自動的紋理映射,每一個三角面片都具有對應位置的真實紋理,即最終的實景三維模型重建結果(圖3)。該模型基于瓦片構建多細節層次模型(Levels of Detail, LOD),可以在三維可視化平臺中加載并瀏覽。從圖4可以看到,隨著視點到觀察目標的距離變化,多細節層次模型會自動加載不同細節層次的三角網模型,以優化可視化占用的電腦計算資源,實現模型的高效瀏覽。

圖3 涇口大橋三維重建成果

圖4 基于瓦片的多細節層次模型

圖5展示了涇口大橋的實景三維模型成果,可以看到融合空地影像的三維重建結果,不僅具有完整的整體表達效果,且完整保留了精細的局部細節結構和紋理。如圖5(b)所示,獅頭長系石上陰刻楷書橋聯“一帆沙鳥慶紅橋”,中孔拱券外側陰刻楷書“涇口大橋”“大清宣統三年辛亥三月”等字皆清晰可見。對于橋底拱頂等處于空中視角遮擋的區域,地面補拍影像的加入使得三維重建成果完整且準確。此外,直觀地顯示效果和準確的細節恢復,可以快速清楚地進行損毀結構的排查等進一步應用。廣寧橋的實景三維模型成果如圖6所示。

圖5 涇口大橋實景三維模型成果

圖6 廣寧橋實景三維模型成果

相對于傳統的影像資料和文字資料而言,融合空地影像的精細三維重建方法,可以在數字空間直觀形象地表達古代石橋的整體風貌和精細的局部細節,最大限度地保留了古代造橋技藝成果,避免了隨著時間流逝帶來的自然侵蝕和對文物信息傳承的人為破壞。

3 結束語

本文針對紹興古橋群文物數字化保護需求,提出了一種融合空地影像的精細三維重建方法。該方法兼顧了整體場景的實景三維重建和古代石橋局部細節的精細恢復,有效地實現了具有復雜輪廓表面、豐富雕刻細節和相對龐大體積的大宗文物精細三維重建。本文提出的融合空地影像的精細三維數字化保護方法成功地應用在紹興古橋群數字化保護項目中,與傳統方法相比,信息獲取快、保留全、處理自動化程度高、效果直觀。

由于空地影像具有分辨率、覆蓋范圍的顯著差異,在本方法處理中,仍然需要一定數量的像控點以輔助準確的空中三角測量聯合平差,在影像匹配方法上存在交大的改善和優化空間。高自動化獲取的實景三維模型在樹木、房屋的遮擋下仍然存在一系列模型拉花扭曲的錯誤,需要后期人工修測參與。