融合多種技術(shù)手段的歷史建筑測(cè)繪

許新海

(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

隨著城市的建設(shè)與發(fā)展,諸多歷史建筑遭到不同程度破壞,對(duì)于歷史建筑的保護(hù)刻不容緩,歷史建筑測(cè)繪是歷史建筑保護(hù)管理工作中的一項(xiàng)重點(diǎn)基礎(chǔ)工作。

目前歷史建筑的測(cè)繪方法主要有全站儀法、攝影測(cè)量法、三維激光掃描等方法。歷史建筑形式豐富,造型復(fù)雜,單一測(cè)繪方法,采集效率低,工作難度大,難以適用歷史建筑建檔全面測(cè)繪的要求。

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影、三維激光點(diǎn)云的歷史建筑二維圖繪制及三維建模,實(shí)現(xiàn)了高精度模型,數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高及非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于古建筑的精細(xì)測(cè)繪項(xiàng)目中。文獻(xiàn)[3]利用三維激光掃描儀獲取歷史建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,在cloudworx中繪制CAD二維圖,在Smart 3D中構(gòu)建的三維模型,均具有較高的精度。文獻(xiàn)[6]基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)的歷史建筑數(shù)字實(shí)景模型創(chuàng)建方法,建立了歷史建筑的精細(xì)化整體模型,解決了存在盲區(qū)、紋理細(xì)節(jié)表達(dá)失真的問(wèn)題,對(duì)歷史建筑數(shù)字化保護(hù)、活化利用提供了數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[7]基于傾斜攝影和三維激光點(diǎn)云融合技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑測(cè)繪,進(jìn)行三維仿真建模。本文通過(guò)建筑場(chǎng)景實(shí)景三維模型以及室內(nèi)外的三維激光掃描點(diǎn)云,建立了精細(xì)的歷史建筑單體化模型,制作了平立面圖及大樣圖,為歷史建筑建檔提供基礎(chǔ)資料,實(shí)現(xiàn)了歷史建筑的全面、準(zhǔn)確測(cè)繪。

1 基本原理

1.1 傾斜航空攝影的基本原理

傾斜航空攝影是利用傾斜航空相機(jī)獲取地物信息的一種新型的航空攝影方式。傾斜航空攝影區(qū)別于傳統(tǒng)的豎直航空攝影方式,傾斜航空攝影技術(shù)可同時(shí)獲得同一物體多個(gè)不同角度的、具有高分辨率的影像,可采集豐富的地物側(cè)面紋理,GNSS配合慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取高精度的位置和姿態(tài)信息,基于專(zhuān)業(yè)軟件,進(jìn)行影像預(yù)處理,在進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算、模型重建計(jì)算后,批量建立高質(zhì)量、高精度的測(cè)繪產(chǎn)品。

1.2 三維激光掃描的基本原理

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀,配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡,通過(guò)傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng),根據(jù)設(shè)定的掃描角度,對(duì)物體進(jìn)行全方位掃描,獲得物體的空間信息,三維激光掃描儀的原始測(cè)量數(shù)據(jù)包括測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、RGB信息、反射率等,可快速重建被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各類(lèi)數(shù)據(jù)。

目前可采用脈沖式測(cè)距、激光三角法測(cè)距、相位式測(cè)距等方式得到坐標(biāo)原點(diǎn)O到目標(biāo)點(diǎn)P的距離S、水平角φ、垂直角θ,通過(guò)公式計(jì)算可得目標(biāo)點(diǎn)P的空間三維坐標(biāo)(X,Y,Z),如圖1所示。

圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

2 傾斜攝影、三維激光掃描在歷史建筑測(cè)繪中應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目背景

為加強(qiáng)歷史建筑保護(hù)工作,根據(jù)《安徽省歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護(hù)辦法》《歷史文化街區(qū)劃定和歷史建筑確定工作方案》等要求,2018年10月,蚌埠市公布了市區(qū)第一批歷史建筑名錄,主要包括寶興面粉廠等11處建筑,同年12月,公布了市區(qū)第二批歷史建筑名錄,主要包括太平街清真寺等7處歷史建筑。

本次歷史建筑測(cè)繪內(nèi)容主要包括歷史建筑區(qū)域?qū)嵕叭S模型以及歷史建筑單體三維建模,平、立面圖、典型構(gòu)件大樣圖等成果,為歷史建筑的保護(hù)、修繕和管理提供基礎(chǔ)資料,為后續(xù)保護(hù)利用提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 作業(yè)流程

針對(duì)上述成果要求,綜合無(wú)人機(jī)傾斜攝影以及三維激光掃描技術(shù),歷史建筑測(cè)繪作業(yè)流程如圖2所示:

圖2 歷史建筑測(cè)繪作業(yè)流程圖

2.3 控制測(cè)量

本次測(cè)量平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000),高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。根據(jù)歷史建筑的特點(diǎn),開(kāi)闊地帶采用AHcors進(jìn)行平面控制測(cè)量,建筑密集地區(qū)采用導(dǎo)線測(cè)量方法布設(shè)。高程測(cè)量采用四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)。

2.4 傾斜攝影測(cè)量

本次測(cè)繪對(duì)象為歷史建筑清真寺,周邊為多層住宅小區(qū),根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選用大疆精靈4RTK進(jìn)行航飛作業(yè),由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)等組成,配合網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù),可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位,同時(shí)記錄的原始衛(wèi)星觀測(cè)值及曝光事件數(shù)據(jù),可用于動(dòng)態(tài)后處理PPK(post-processed kinematic)差分解算等。內(nèi)業(yè)采用武漢天際航有限公司的DP-Smart軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量及全自動(dòng)三維建模。

(1)航線布設(shè)及數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)項(xiàng)目分布區(qū)域特點(diǎn)確定飛行范圍,合理規(guī)劃飛行航線,確保航向重疊度保持在80%以上,旁向重疊度在75%以上。為了建立歷史建筑區(qū)域精準(zhǔn)的實(shí)景模型,選擇攝影測(cè)量3D(五向飛行)模式,航線由正射航線和傾斜航線組成。平行于測(cè)區(qū)邊界線的首末航線的側(cè)視鏡頭能夠獲得測(cè)區(qū)的有效影像。考慮到傾斜攝影相機(jī)拍攝角度,為保證邊緣物體立體成像,航線覆蓋超出測(cè)區(qū)邊界線至少 200 m。最終布設(shè)的航線16條,航向重疊度、旁向重疊度均為80%,飛行高度 80 m,航帶間距 19 m。

(2)空三加密全自動(dòng)建模

飛行完成以后,在DP-Smart中新建工程,添加影像數(shù)據(jù)以及對(duì)于對(duì)應(yīng)的Pos數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)提取特征點(diǎn)、相對(duì)定向、匹配連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差,生成攝區(qū)的空中三角測(cè)量成果。根據(jù)空三成果,提取特征點(diǎn),生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等,最終得到實(shí)景三維傾斜模型(圖3)。

圖3 清真寺實(shí)景三維模型

2.5 三維激光掃描

由于清真寺屬于民族特色建筑,諸多結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則形狀,造型復(fù)雜,采用三維激光掃描清真寺內(nèi)部庭院及室內(nèi)外空間,為后續(xù)精細(xì)單體化建模及圖紙制作提供數(shù)據(jù)支撐。

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

①激光點(diǎn)云的定位:根據(jù)清真寺的實(shí)際情況,定位標(biāo)記采用專(zhuān)用標(biāo)靶紙粘貼固定,每站均設(shè)置一個(gè),共計(jì)設(shè)置12點(diǎn)。利用徠卡TZ12全站儀(測(cè)角精度±2″,測(cè)距精度 1 mm+1.5 ppm),精確測(cè)定標(biāo)靶紙標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo),后期內(nèi)業(yè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

②點(diǎn)云采集及影像獲取

采用德國(guó)的Z+F IMAGER 5010C掃描儀,每?jī)烧局g均設(shè)置三個(gè)公共標(biāo)靶球,采用Super High超高分辨率對(duì)標(biāo)靶球進(jìn)行掃描,采用high分辨率進(jìn)行建筑本體掃描。其中,對(duì)于體現(xiàn)歷史風(fēng)貌和民族特色的欄桿、雕花等部分采用Super High超高分辨率掃描,用于后期大樣圖制作,單站掃描以及拍照需用時(shí)15分30秒。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

Z+F掃描獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入LaserControl后處理軟件進(jìn)行降噪處理,利用軟件三維選擇工具對(duì)多余點(diǎn)等進(jìn)行刪除,僅保留所需數(shù)據(jù)以提高后續(xù)處理的效率。利用外業(yè)拍攝照片進(jìn)行每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的著色,得到彩色點(diǎn)云。點(diǎn)云處理后進(jìn)行點(diǎn)云拼接,利用兩個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行拼接,第三個(gè)標(biāo)靶作為多余觀測(cè),進(jìn)行平差計(jì)算,提高拼接精度,本次拼接精度報(bào)告三個(gè)標(biāo)靶球在X、Y、Z三個(gè)方向上偏差以及總偏差:平均偏差:1.3 mm,標(biāo)準(zhǔn)偏差:0.8 mm,最大偏差:4.0 mm,完全滿(mǎn)足規(guī)范要求。

點(diǎn)云拼接完畢以后,在軟件中對(duì)標(biāo)靶紙的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)號(hào),對(duì)全站儀采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯導(dǎo)入軟件進(jìn)行匹配,通過(guò)標(biāo)靶紙標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸化到CGCS2000坐標(biāo)系中,獲取絕對(duì)坐標(biāo)清真寺完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 清真寺點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.6 建筑精細(xì)模型制作

根據(jù)歷史建筑細(xì)節(jié)精細(xì)表達(dá)的要求,依據(jù)實(shí)景三維傾斜模型、三維激光掃描數(shù)據(jù)以及DP Modeler、3D Max軟件進(jìn)行精細(xì)模型制作,利用DP Modeler在實(shí)景三維模型中采集粗模,自動(dòng)紋理映射,部分柱與欄桿、窗戶(hù)利用三維激光掃描數(shù)據(jù)在3D MAX中細(xì)化結(jié)構(gòu),對(duì)于可能出現(xiàn)的圖片效果較差的情況人工進(jìn)行篩選,重貼紋理,編輯完成單體化模型。對(duì)每個(gè)建筑模型統(tǒng)一命名編號(hào),命名規(guī)則為“市拼音縮寫(xiě)-區(qū)縣拼音縮寫(xiě)-歷史建筑編號(hào)-單體建筑編號(hào)”。完成的建筑模型(BBS-BSQ-012-001)成果如圖5所示。

圖5 建筑模型成果圖

2.7 平、立面圖繪制

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成后,通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行平、立面圖的繪制,要求線條平順,結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)表達(dá)完整。利用Z+F LaserControl軟件導(dǎo)出.las格式點(diǎn)云,利用南方SouthLidar軟件進(jìn)行平面圖繪制,根據(jù)測(cè)圖需要固定高度對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行水平切片,完整顯示房屋墻體,選擇直角繪制模式,沿著建筑墻體輪廓采集房屋。使用Autodesk Recap軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為.rcs格式后導(dǎo)入AutoCAD 2019后進(jìn)行立面圖繪制,將點(diǎn)云模型通過(guò)相關(guān)軟件的投影功能進(jìn)行平面投影處理,從而得到投影后的平面點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后在平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)上繪制立面圖形,并標(biāo)注尺寸及相關(guān)材質(zhì),對(duì)于部分被遮擋屋面結(jié)構(gòu)及相關(guān)信息通過(guò)實(shí)景三維模型獲取。繪制完成的建筑物平、立面圖如圖6～圖8所示。能夠體現(xiàn)歷史風(fēng)貌和民族特色的建筑樣式,繪制典型大樣圖。

圖6 清真寺總平面圖

圖7 講堂側(cè)立面圖

圖8 講堂南立面圖

2.8 精度評(píng)定

歷史建筑平面圖、立面圖測(cè)繪完成后,安排質(zhì)檢小組隨機(jī)抽查8個(gè)尺寸,采用測(cè)距儀測(cè)量邊長(zhǎng)以及全站儀測(cè)量高度方法,以檢測(cè)平面圖、立面圖測(cè)繪成果的精度,檢測(cè)分析對(duì)比表如表1所示:

表1 實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與平立面成果對(duì)比表(單位/m)

通過(guò)表1分析,差值最大為6 cm,最小為 1 cm,檢核結(jié)果皆滿(mǎn)足《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》中平面圖、立面圖、剖面圖制作的要求:結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)實(shí)地檢核,相對(duì)誤差應(yīng)不大于1/200。精度可靠的歷史建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可以提供給歷史建筑檔案制作使用,滿(mǎn)足歷史建筑保護(hù)工程需要。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述工程實(shí)踐,綜合運(yùn)用傾斜攝影、三維激光掃描等測(cè)繪新技術(shù),獲取了精確、翔實(shí)的歷史建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù),提交的測(cè)繪成果能夠反映歷史建筑歷史風(fēng)貌、構(gòu)造工藝特征等,內(nèi)容豐富,表達(dá)形式直觀、多樣,并對(duì)后續(xù)歷史建筑測(cè)繪成果的建立、歸檔進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范。

項(xiàng)目完成后,建立歷史建筑資料數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)將成果導(dǎo)入現(xiàn)有規(guī)劃管理信息平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了歷史建筑規(guī)劃保護(hù)和修復(fù)的信息化管理。目前已成功應(yīng)用于歷史建筑常規(guī)修繕維護(hù)、合理利用等歷史建筑保護(hù)工程。