基于多种技术手段的历史建筑精细测绘

叶珉吕

(佛山市测绘地理信息研究院，广东 佛山 528000)

1 引 言

历史建筑是人类历史发展过程中产生的瑰宝，有着重要的历史价值、科学价值、艺术价值、社会价值和经济价值，故对于历史建筑的保护刻不容缓。通过对历史建筑进行精细测绘，获取其三维模型、平立剖面图等成果，作为历史建筑规划保护和修复等工作的第一手数字档案资料，具有深远的意义。

测绘技术为历史建筑精细测绘提供了各种各样的手段，推动了历史建筑三维空间数据获取向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展[1]。目前，历史建筑测绘的主要手段有全站仪法、摄影测量法及三维激光扫描法等，其中三维激光扫描技术以其数据获取速度快、实时性强、精度高及非接触式测量等优点被广泛应用于北京故宫、敦煌莫高窟等历史建筑的精细测绘项目中[2～10]。但由于三维激光扫描技术自身的特点，对于遮挡严重、封闭或建筑物之间较为密集的隐蔽区域，将无法获取完整的点云数据；且对于如屋顶、山墙等较高位置纹理图像的采集，仅采用人持数码相机拍摄的方式一般无法获取较为正视的图像，这对后续的图像处理及纹理贴图等工作将带来较大困难。因此，单一的技术手段将无法满足历史建筑全面、高精度的测绘需求，本文结合佛山市禅城区历史建筑精细测绘项目实践，提出集成三维激光扫描仪、无人机、全站仪、激光测距仪、数码相机等技术手段的历史建筑精细测绘方法，并通过实例验证其可行性。

2 技术方法

2.1 项目背景

佛山市禅城区历史悠久，是中国古代“天下四大镇”和“天下四大聚”之一，拥有众多的历史建筑。此次项目将对禅城区内优先推荐的61处历史建筑进行精细测绘，获取其三维模型、平立剖面图等成果，并将上述成果与规划管理平台对接，实现历史建筑规划保护和修复的信息化管理。优先推荐的61处历史建筑跨越不同时期、风格各异、大小不一，主要包括宅第民居、工业建筑、坛庙祠堂、名人故居、亭台楼阙等等，且测量条件各不相同，项目成果需满足《城市三维建模技术规范》、《佛山市三维模型技术规范(试行)》中建筑精细模型(Ⅰ级模型)及《地面三维激光扫描作业技术规程》等相关技术要求。针对上述情况及成果需求，项目充分利用当前各种先进的测绘手段，集成三维激光扫描仪、无人机、全站仪、激光测距仪、数码相机等进行历史建筑的精细测绘，其主要技术流程如图1所示。

图1 技术流程图

2.2 控制网布设

控制网布设的目的是将项目所有测绘成果纳入到城市统一的坐标系、高程系中去。项目首先围绕每处历史建筑进行控制点布设，平面坐标采用网络RTK(CORS)或全站仪导线测量的方式，高程采用水准测量的方式，每处历史建筑至少布设3个以上的控制点，精度根据《地面三维激光扫描作业技术规程》等相关规范的规定，平面精度满足城市二级点的要求，高程精度满足四等水准点的要求。

2.3 三维激光扫描

历史建筑精细测绘主要采用三维激光扫描技术手段，所采用的三维激光扫描仪如图2所示，为相位式的FARO Focus3D330，扫描距离为 0.6 m～330 m，测量速度最高为 976 000点/秒，标称精度为 ±2 mm，满足《地面三维激光扫描作业技术规程》中一等仪器指标的要求。各站点云数据拼接所采用的标靶为图3所示的仪器配套标靶球，相邻站之间一般高低错落地均匀布设不少于3个标靶球。

图2 三维激光扫描仪

图3 标靶球

对于屋顶等较高位置的扫描，一般借助周边较高建筑设站，必要时搭设临时的升降平台架设扫描站。对于无法获取完整点云数据的隐蔽区域，采用全站仪、激光测距仪等常规测量手段获取数据。

2.4 纹理图像采集

采用不低于1 000万像素的数码相机获取模型的纹理图像，选择光线较好的时间段、从整体到局部进行拍摄。对于如屋顶、山墙等较高位置纹理图像的采集，采用人持数码相机拍摄的方式有时无法获取图像，或无法获取较为正视的图像，项目采用如图4所示的DJI旋翼无人机进行拍摄，能够获取较高位置的正视图像(如图5所示)，极大减少了后续图像处理及纹理贴图等工作的工作量，提高了工作效率。

图4 DJI无人机

图5 无人机图像

2.5 点云数据处理

外业扫描获取历史建筑的点云数据后，内业的点云数据处理主要包括点云拼接、点云去噪及点云封装等。点云拼接通过在仪器配套软件FARO SCENE中自动搜索各站同名标靶球进行自动拼接(如图6中绿色标靶球所示)，拼接后的平均精度均为mm级别。

图6 点云拼接

点云去噪同样通过在配套软件FARO SCENE中自动或辅以人工判别的方式去除离散点、行人、树木等噪声数据。

将去噪后的点云数据导入GeomagicStudio软件中进行点云三角化封装，封装后的数据如图7所示。后续的三维建模将直接基于封装后的点云数据进行。

图7 点云封装

2.6 图像数据处理

受拍摄角度及拍摄环境等的影响，外业所采集的部分纹理图像存在非正视、变形、曝光过度、曝光不足、阴影等情况，项目采用Photoshop软件，通过裁剪、图形变换等工具进行变形纠正，将图像调整为正视图像；通过仿制图章、污点修复画笔等工具消除图像中的一些噪声点；通过亮度、对比度等工具进行色彩调整。

对于墙体、地面等较大面积的物体，受拍摄条件的限制，一般无法获取整体的图像，纹理贴图时通常采用“以点代面”[3]平铺的方法，即仅采集小面积、具有代表性的图像(种子图像)，通过不断重复平铺的方式进行纹理贴图。这时同样需要通过在Photoshop软件中对种子图像进行裁剪、色彩调整等，使得平铺后的纹理实现无缝过渡，相邻处不会出现明显的“突兀”现象。

2.7 三维建模、纹理贴图

项目主要采用3ds Max软件进行三维建模及纹理贴图。将上述封装好的点云数据导入3ds Max软件中，对于建筑物的墙体、门窗、梁柱等较为规则的结构可直接在软件中采用相应的球面、弧面、柱面、平面等基本几何体根据点云数据进行制作；对于斗拱等较为复杂的组合式结构，一般将其组成部件分开制作，最后合并成为一个物体；对于更为复杂的浮雕、塑像等不规则构件，一般单独提取其点云数据，先在GeomagicStudio软件中进行三角化封装，经孔填充、边修补、细化、光滑处理等优化步骤建成精细模型后，再导入3ds Max软件中与其他构件一起组成一个整体，如图8所示。对于缺少点云数据的隐蔽区域，根据全站仪或激光测距仪所观测的点位、尺寸等数据进行三维建模。

基本模型建好后，对各个构件采用对应的图像进行纹理贴图，图9为某处历史建筑未贴图模型，图10为其贴图后的最终模型。

图8 复杂构件单独建模

图9 未贴图模型

图10 最终模型

2.8 平、立、剖面图制作

三维模型完成后，在3ds Max软件中通过切片工具分别从俯视、正视等方向对三维模型进行切片，获取制作平、立、剖面图所需的切片数据，并将切片数据导出为DWG格式，最终通过在AutoCAD软件中对DWG格式的切片数据进行一定的编辑和尺寸标注，形成历史建筑的平、立、剖面图成果(如图11所示)。

图11平、立、剖面图

3 结果与精度分析

项目共完成了禅城区优先推荐的61处历史建筑精细三维模型及平、立、剖面图的制作，图12展示了项目不同类型历史建筑中典型的模型成果，包括工业建筑、坛庙祠堂、名人故居、亭台楼阙等等。

图12 不同类型历史建筑模型

对于三维模型成果，采用现场比对的形式进行检核，主要包括模型的完整性检查(模型各个组成部分的错、漏情况)、模型纹理贴图的准确性、完整性、协调性检查(模型纹理的准确性、清晰度以及纹理与模型的一致性等)、模型及纹理数据命名的正确性、规范性检查等[11]。由于采用了三维激光扫描、无人机等多种测绘新技术，能够实现所见即所得，而且采用全站仪等常规方法进行查漏补缺，因此项目三维模型成果在完整性、一致性等方面均能满足《城市三维建模技术规范》、《佛山市三维模型技术规范(试行)》等相关规范的要求。而模型制作的准确性采用激光测距仪(测距标称精度为 ±1 mm)对平、立、剖面图中所标注的历史建筑的尺寸进行实地检核，检核结果皆满足《地面三维激光扫描作业技术规程》中平、立、剖面图制作的要求(尺寸检核相对误差不大于1/200)，表1给出了部分历史建筑尺寸的检核情况。

历史建筑尺寸检核表 表1

4 结 语

本文结合佛山市禅城区历史建筑精细测绘项目实践，提出了基于三维激光扫描仪、无人机、全站仪、激光测距仪、数码相机等技术手段的历史建筑精细测绘方法，最终成果表明该方法具有较高的可行性，形成了完整的内外业作业流程，可为类似项目提供一套完整的技术方案。项目将所有成果与规划管理平台对接，实现了历史建筑规划保护和修复的信息化管理，下一步计划与VR(虚拟现实)等前沿技术相结合，实现历史建筑的虚拟浏览等应用。

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