多元数字化技术在历史建筑测绘中的应用
——以广丰区历史测绘建档项目为例

李阳靖 莫莹菲

（南昌市测绘勘察研究院有限公司，江西 南昌 330038）

根据江西省住房和城乡建设厅《关于进一步加强历史文化街区和历史建筑保护工作的通知》（赣建消[2021]5号）、江西省住房和城乡建设厅《关于印发＜江西省历史建筑测绘建档三年行动计划＞的通知》（赣建科设[2019]52号）要求，加强历史文化街区和历史建筑保护，上饶市广丰区住房和城乡建设局组织实施广丰区第一批历史建筑测绘建档工作，建立一套完整的历史建筑数字化档案信息，为历史建筑的保护、维护修缮提供依据。

1 项目概况及要求

本项目的工作内容包括对广丰区人民政府公布的第一批29 处历史建筑进行测绘建档，绘制每栋历史建筑的总平面、平面、立面、剖面现状图测绘和典型构件大样图测绘，其绘制符合国家的建筑制图标准，并提交相应的档案信息表和图纸。对其中城区的3处（南極拱辉、平水庙、学麟公祀）历史建筑开展精细三维模型制作、室内VR制作和保护图则编制。测绘成果可应用于历史建筑数字档案建立和管理，历史建筑迁移与复建、核心价值要素复原修缮等工程。

2 总体技术路线设计

总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术流程

3 技术流程

3.1 数据获取与处理

3.1.1 资料收集与分析

根据《广丰区第一批历史建筑名录》，获取历史建筑名称、位置、年代等基本信息，基于这些信息进行现场踏勘，了解历史建筑的基本情况。通过现场拍照采集影像信息和历史价值要素，通过现场调查收集产权信息、使用情况等信息，通过查询当地县志等资料，了解建筑的历史沿革及当地历史文化信息。对收集到资料进行整理和分析，形成初步的历史建筑档案信息表，为后续工作方案制定与执行奠定基础。

3.1.2 控制测量

平面坐标系采用2000 国家大地坐标系，江西省测绘地理信息局建设的江西省连续运行卫星导航综合服务系统（JXCORS）服务范围覆盖整个测区，可用于平面控制测量。高程系统采用1985 国家高程基准，使用似大地水准面精化模型进行高程拟合，获取高程异常及加常数。每栋历史建筑布设的控制点应不少于4个，精度需满足《地面三维激光扫描作业技术规程》等相关规范的规定，平面精度达到城市二级点的要求，高程达到四等水准点的要求。

3.1.3 数据采集

（1）三维激光扫描

三维激光扫描技术由于其精度高、获取快、非接触等特点，被广泛应用于历史建筑测绘领域。突破了传统的单点测量方法，利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，具有高效率、高精度的独特优势[1]。具体的工作内容包括外业数据采集和内业数据处理两部分。外业主要是利用地面三维激光扫描仪进行架站式点云采集，包括作业路径规划、标靶布设测量、架站扫描采集等；内业主要是点云数据拼接、误差提取和修正、坐标系转换、降噪与抽稀等后期对点云的一系列技术处理，最后得到具有空间三维坐标、RGB色彩、强度、回波等信息的三维点云数据。

采用Leica RTC360 扫描仪对历史建筑进行扫描，该设备具有TruRTC 实景复制技术、VIS 视觉追踪技术及Smart Reg 智能拼接技术。TruRTC 实景复制技术可以保证在短时间内完成海量点云和高清影像的采集，VIS 视觉追踪技术可在采集过程中进行点云的实时预拼接，无须标靶、无须公共点、无须人工干预，现场实时查看点云预拼接结果，Smart Reg 智能拼接技术提高了点云处理的效率，通过在拼接软件中拖放、导入、发布三步，即可完成点云数据的智能拼接，方便快捷。

（2）倾斜航空摄影

无人机倾斜航空摄影技术是通过无人航空器搭载影像传感器、GNSS定位、无线传输、惯性导航等系统从空中获取地面多角度影像。利用多视影像联合平差、多视影像结合点云密集匹配，结合POS 信息提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光速法平差，得到较好的同名点匹配结果，解决航飞模型精细化重构问题[2]。

采用大疆悟Inspire 2 无人机搭载禅思X5S 高清云台相机，使用DJI GO4 软件对目标区域进行规划航线，通过调整镜头角度及航线方向，经过多架次航飞，获取地面垂直影像和多角度倾斜影像。经倾斜摄影半自动化建模软件进行空三加密，自动密集匹配可获取建筑实景三维模型、正射影像及点云数据。其成果可以弥补扫描仪无法获取屋顶完整的点云的缺点，也可以通过利用实景三维模型进行数字线划图采集，作为总平面图的基础数据。

（3）室内VR全景拍摄

VR技术全称虚拟现实技术，是一种多学科综合交叉应用的人机交互技术[3]。将实地全景照片整合为全景投影，并予以3D还原展示，配合鼠标、手指触摸拖动屏幕的操作方式，可谓身临其境、触手可及。辅助以雷达指向、场景缩放、特效切换、图文解说、背景音乐等应用，足不出户就能让观赏者心驰神往于千里之外。VR技术的广泛应用，打破了各地历史文化之间交流的壁垒，对文化的传播有着较为深刻的意义。

采用众趣3D 扫描相机对历史建筑的室内进行360°拍摄，该相机具有深度摄像头，彩色图像分辨率能达到16K。利用机器视觉和SLAM技术，能快速完成三维结构重建，图像拼接，纹理匹配，自动生成室内3D实景模型，沉浸式360 度漫游展示室内真实现状，并可通过访问该网址（https://beyond.3dnest.cn/play/index.html?m=b1021bae_nvFH_b6f9&o=1）进行平水庙室内VR 全景浏览。

3.2 成果制作与管理

3.2.1 测绘图纸与档案制作

历史建筑档案是融合了建筑测绘图纸、基本信息、影像资料等数据的历史建筑“身份证”，能够由表及里全方位记录历史建筑的现状信息及历史文化信息，历史建筑受到水灾、风化、侵蚀等自然灾害后，对其进行历史建筑的维护、修缮、重建提供了详实资料。测绘图纸是以三维激光扫描数据和数字影像数据为基础，通过逆向设计方式，结合对历史建筑的理解，将三维立体点云数据转化为传统二维矢量化图纸。测绘图纸包括总平面现状测绘图、平面现状测绘图、立面现状测绘图、剖面现状测绘图、典型构件大样图，总平面图整体描述了历史建筑的空间位置及周边环境，平立剖面图准确描绘了历史建筑的结构尺寸及工艺做法，大样图详细表达了精美构件的艺术特征及历史价值。将点云数据导入CAD 软件，通过点云切片、轮廓提取、尺寸标注等步骤，按照《房屋建筑制图统一标准》《建筑制图标准》等规范绘制历史建筑图纸，平水庙的测绘图纸成果如图2所示。

图2 平、立、剖面图

3.2.2 三维模型制作

建模技术是虚拟现实中的技术核心，虚拟现实对世界反映的真实性状况与建模技术有着密切的关系[4]。通过现场三维激光扫描，能够获取各种大型、复杂、不规则的、标准或非标准等实体的三维空间数据，相较于传统手工建模，点云数据为模型构建提供了高精度的空间参照，结合现场真实纹理采集，可以将历史建筑按照1:1的比例进行真实复刻。基于3DMax软件，制作以下三个部分的模型：①地形模型，作为承托建筑本体及其他附属设施的平台；②建筑物模型，包括外墙、门窗、支柱、梁架等建筑主体结构模型；③构筑物模型，包括塑像、匾额、瓦当、脊兽、雕花等复杂而精美的部件模型。建模的一般流程是拆解复杂结构、构建基本单元模型、贴图处理及纹理映射、模型烘焙与渲染，从点云到模型制作流程如图3所示。

图3 三维模型制作流程

3.2.3 保护图则制作

历史建筑保护图则是历史建筑的保护伞，且经过多方面考虑而制定的全面保护规划方案，防止各种人为因素对历史建筑造成破坏。历史建筑保护图则需要对历史建筑的现状概况和保护要求做深入细致的表述，还应根据历史建筑的实际情况，结合历史建筑周边历史文化名城保护规划及历史文化街区保护规划，适当扩大历史建筑的保护范围和建设控制地带的范围，以确保历史建筑的周边整体环境得到妥善保护。通过历史建筑现状分析及评估明确历史建筑禁止性使用功能，不同的建筑进行再利用改造时根据不同的功能、结构、产权管理、投资预算等方面的具体情况进行具体分析，然后按照一定的保护原则选择适当的保护模式，如现状保存、修缮维护、加固改造、异地迁移等多种保护模式。保护图则编制工作主要包括基础资料收集、现场调研、现状分析评估、划定保护范围、确定保护措施几个步骤，保护图则的主要成果包括基本信息及保护规划控制图、核心价值要素信息图、现状评估及保护措施引导图等，部分成果如图4所示。

图4 保护图则成果

4 结语

本文结合广丰区历史建筑测绘建档项目，阐述了通过综合使用三维激光扫描、倾斜摄影、虚拟现实等多种技术快速构建历史建筑地空一体化的基础数据方法以及多元数字成果制作的流程。历史建筑测绘图纸和档案成果是对历史建筑本体空间结构及现状属性的准确描述，在历史建筑受到自然灾害影响后的维护修缮等方面有着重要作用。保护图则成果是经过对历史建筑进行现状分析后制定的全面的保护方案，在预防历史建筑受到人为因素破坏等方面有着指导作用。三维模型及室内VR是虚拟现实技术的产物，能够对历史建筑进行沉浸式仿真模拟，并且可以移植到多种平台上让用户进行交互式浏览，对于历史文化的宣扬与传承有着积极意义。通过对历史建筑保护的多维度思索与实践，传统历史建筑的文化与魅力会逐渐绽放出耀眼的光芒。