基于空地數據融合構建高精度古建筑模型

摘 要：保護和傳承古建筑是目前的熱點研究問題之一，構建古建筑的實景模型是文物保護的基礎和前提。近些年發展起來的基于人工、傾斜攝影測量、三維激光掃描等技術構建的三維模型，在古建筑建模上均存在諸多局限。文章提出使用傾斜攝影和三維激光掃描數據融合的方式，實現精細化的三維模型重建，為獲得低成本、高效率、高質量的精細化古建筑模型提供相應理論與技術指導。

關鍵詞：古建筑；傾斜攝影；三維激光掃描；空地數據融合；三維模型

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.02.034

0 引言

我國古建筑具有悠久的歷史，在我國傳統社會中起著重要的社會凝聚作用，在世界建筑史上占有重要地位，有極高的藝術成就和科學價值，保護意義重大①。古建筑是歷史文化的載體，目前因自然災害等因素很多古建筑遭受不同程度的破壞，而古建筑模型可以作為文物修復的基礎數據存檔，實現古建筑文物的保護。

近年來，三維建模技術發展迅速，主要有手工建模、傾斜攝影建模和三維激光掃描建模三種類型。人工建模②使用GNSS－RTK或全站儀獲取二維矢量數據，此方法工作量大、效率低。傾斜攝影建模③是在同一飛行平臺上攜帶傳感器，獲取圖像信息，由于無人機能對建筑物從高到低、由遠及近進行全方位的拍攝，但該技術無法獲取拍攝盲區和復雜結構的全部細節信息，導致構建的三維模型會出現粘連、變形等問題。三維激光掃描建模④利用激光掃描儀采集三維空間點云數據，結合EpiCloudSplicer等軟件可實現高精度的模型，但是由于儀器本身的高度和掃描角度原因，使模型不完整，無法構建完整的三維模型。

基于上述理論和技術基礎，大量研究采用單個技術對古建筑遺跡進行三維重建。Pesci⑤、徐凡⑥、化蕾⑦、何聰祥⑧、蔡利波⑨等人使用三維激光雷達技術完成了對古建筑模型的構建，高溪溪⑩利用三維激光雷達技術結合BIM技術也完成了對古建筑模型的構建，但數據處理比較復雜。劉洋k等人基于無人機近景攝影測量，提出了一種自主飛行、結合手動多高度多角度拍照的古建筑三維建模方法，雖然提高了效率，但精度還是不夠高。李天l提出了一種結合無人機和地面近距離數據的環繞傾斜攝影精確建模方法，但由于其經驗性路線設計，受主觀因素影響較大，容易影響測量精度。

針對以往研究中存在的問題，本文提出了空地數據融合的方法，可以獲得更全面的古建筑圖像數據，構建完整真實的三維現實模型，有利于三維融合模型在建筑遺產領域的應用。

1 宏佛塔在西夏諸塔寺中的功能與地位

古代封建帝王建修佛寺塔廟，是國家官式建筑的一項形象系統工程，無論是在前代寺址上重修，還是在發生重大事件或值得紀念的地點上興建，均具有重要的象征意義、紀念意義與實用價值。據古文獻與金石文字記載，宋真宗在定州建造開元寺與樓閣式料敵塔，遼圣宗在上京、遼興宗在中京、遼道宗在西京建造的佛寺與樓閣式舍利塔，均經過精心策劃設計，歷經數年或數十年才完工。西夏立國之后各代帝王先后精心策劃，在其都城與輔助之地興建或重修寺塔，也經歷數年或數十年才得以峻工。從獲取的文物考古信息資料可知，拜寺溝方塔和宏佛塔是西夏諸塔寺中與西夏王朝相伴始終、傳承和延續時間最長的佛教建筑文化遺存。兩者相比較，地處府城近郊的宏佛塔凝聚的西夏歷史文化信息，是遠在賀蘭山深處的方塔無法比擬的，凸顯了這座塔在西夏諸塔寺中的重要地位。依據宏佛塔勘測維修時獲取的多種文化信息，結合古文獻對西夏歷史，特別是西夏佛教文化史的記載，進行綜合對比研究后發現，西夏歷代帝王在該地引進和仿效遼朝佛教塔寺建筑元素，修建這座有紀念意義的佛塔，與依附遼朝、維系的戰略姻親互惠關系有直接關系。文章以宏佛塔建筑為例進行討論。

2 基于無人機攝影測量技術的三維建模

無人機采集到的影像通過ContextCapture建模軟件進行處理，構建三維模型。利用傾斜攝影測量構建的三維模型精細化程度不高，紋理缺失嚴重，在拍攝盲區和結構復雜區域模型出現粘連和變形等現象。圖1為無人機建模的技術路線。

2.1 影像數據采集

使用具有云臺姿態控制系統的無人機平臺搭載單鏡頭相機，采用傾斜拍攝的方式用于獲取目標物多個方向的影像數據，其工作流程包括測前準備、數據采集、數據處理。

2.1.1 測區概況

宏佛塔位于賀蘭縣王澄堡村，殘高28.34米，由塔基、樓閣式塔身、覆缽式塔剎等部分構成。自1990年塔架重建后保留至今。

2.1.2 測前準備

外出作業前應檢查無人機設備。利用無人機進行航測作業前應對測區進行實地踏勘，從而選擇適合無人機起降的地點。本次航測項目外業影像數據的采集采用的無人機是大疆精靈DJI MAVIC 3E。本次航測作業根據需求對航攝參數進行設置，表1為各航攝參數。

2.1.3 數據采集

在無人機所有的參數設定完成和航線規劃完畢后，將無人機垂直升空進行采集作業。本次航測作業共采集266幅JPG格式的影像數據。

2.2 影像數據處理

在完成無人機航測作業的工作后，應檢查影像并收回無人機m。使用ContextCapture軟件處理流程如下所示：啟動ContextCapture軟件，創建新的工程項目，并對項目進行英文命名，選擇存儲路徑，完成創建工作。創建項目后，導入影像數據，并檢查導入的影像是否合格，若報錯，檢查后重新添加。接下來進行空中三角測量，進行空三處理n。當空三處理完成后，進行重建工作，選擇需要的空間范圍并設置，然后提交新的生產任務。生成的三維模型可通過“3D view”界面查看。

2.3 影像數據三維模型構建

在ContextCapture軟件進行三維模型構建的過程中，通過空中三角測量和紋理映射等得到三維模型。如圖2構建的三維模型是由無人機傾斜攝影測量完成的。

3 基于三維激光掃描技術的三維建模

通過無人機攝影測量技術構建的三維模型存在模型粘附和變形的問題。三維激光掃描技術可以采集目標地面附近的點云數據。

本次實驗使用EasyScanTMT10架站式三維激光掃描儀如圖3所示，內業數據處理使用配套的EpicCloudSplicer軟件。其作業可分為外業和內業兩部分。三維激光掃描技術路線如圖4所示。

3.1 準備工作

準備工作為四個步驟：明確目標任務要求、現場勘查o、掃描方案具體設計和儀器準備。

3.2 掃描階段

掃描過程由標靶布設、儀器架設、參數設置、掃描、紋理采集五部分組成。

將標靶紙如圖5所示進行均勻的布設；布設時標靶不宜離掃描儀過遠，保證掃描精度；為了保證點云配準精度，本次掃描時在相鄰兩站之間架設1～2個標靶，標靶布設完成后，架設掃描儀，整平，啟動掃描儀。操作流程如圖5所示。

3.3 點云處理及模型構建

3.3.1 點云拼接

在完成宏佛塔外業點云數據采集后，接下來就進入內業點云預處理階段。本次內業數據預處理采用與儀器配套的隨機數據處理EpiCloudSplicer軟件，軟件處理T10掃描儀采集的數據。

為了獲得建筑物的整體信息，需要進行基于站點的全向掃描p。最終需要將各站點獲得的點云數據統一到同一坐標系中，即通過數據配準得到完整的點云數據模型q。

對于宏佛塔的拼接方式采取的是標靶紙與點云特征點相結合的拼接方式r。

3.3.2 點云數據的簡化

三維激光掃描儀獲取的點云數據通常可達到毫米級的精度。在古建筑的數據采集中進行分站式掃描，而每個站會有一定的重疊區域，這會導致拼接后數據冗余，因此需要對點云數據進行精簡處理。

4 空地數據融合建模

無人機與三維激光掃描都有弊端。因此，提出將兩種技術所生成的模型進行融合，構建出完整、真實的三維實景模型，有利于三維融合模型在建筑領域中的應用。

本文選擇的空地數據有無人機傾斜影像、三維激光掃描儀點云數據，基于無人機技術及三維激光掃描技術所建立的3D模型，將模型統一數據點云格式，深入探討空地數據融合建模技術。ContextCaputure軟件能夠生成“las”格式的點云模型，三維激光掃描儀可直接獲取目標物的掃描點云，也能夠生成“las”格式的點云模型，然后通過使用LiDAR360能對點云模型進行抽稀和點云融合實驗。采用LiDAR360軟件進行融合，如圖6所示。

選取三個相同點進行手動融合，點F0融合的誤差為0.004，F1融合的誤差為-0.005，F2融合的誤差為0.0008。

從激光點云模型的整體效果來看，整體較為完整，但是在拍攝盲區、結構復雜的區域存在紋理失真、結構缺失，導致構建的三維模型喪失部分信息，無法完全呈現建筑物的詳細外觀信息；融合模型中，采用的是無人機的高空點云模型，而三維激光采用的是下部點云模型并且部分存在色差問題，但是融合模型充分利用各自模型中的優勢，彌補了二者點云模型中存在的問題，避免了單一技術帶來的各種缺點，使融合模型能夠完整清晰地反映建筑物的幾何特征和紋理特征。

5 結論

本文針對三維建模技術的難題，通過對無人機攝影測量技術和三維激光掃描技術構建的模型進行融合建模的深入研究，通過對無人機攝影測量技術、三維激光掃描技術構建三維模型的質量分析，提出了融合兩種技術手段構建融合模型，解決了模型在單一技術建模中的粘連、拉花和數據缺失等問題。

注釋

①何原榮，陳平，蘇錚，等.基于三維激光掃描與無人機傾斜攝影技術的古建筑重建[J].遙感技術與應用，2019，34（6）：1343-1352.

②李存文，肖天豪，呂寶奇.人工建模技術在地鐵三維圖中的應用[J].地理空間信息，2021，19（3）：92-95.

③占森方，李元松，陶文華，等.無人機傾斜攝影技術在智慧校園實景三維建模中的應用[J].科技創新與應用，2021，11（36）：28-30，34；吳曉偉.基于傾斜攝影的傳統建筑建模研究[J].產業與科技論壇，2021，20（17）：54-55；范倫.無人機傾斜攝影三維建模技術及認識[J].測繪與空間地理信息，2021，44（12）：183-186；薛雷，鄧連生，張國武，等.無人機傾斜攝影技術三維建模及精度分析[J].湖北理工學院學報，2022，38（1）：4-8，31.

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⑤PESCI A，CASULA G，BOSCHI E.Laser scanning the Garisenda and Asinelli towers in Bologna （Italy）：Detailed deformation patterns of two ancient leaning buildings[J].Journal of Cultural Heritage，2011，12（2）：117-127.

⑥徐凡，張雪紅，石玉立.基于激光雷達和航拍影像的城市地物分類研究[J].遙感技術與應用，2019，34（2）：253-262.

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