融合多平台影像的绍兴古代石桥三维精细数字化保护

朱春成 李世明,2 申 迎

(1. 四川视慧智图空间信息技术有限公司, 成都 四川 610083; 2. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院, 成都 四川 611756; 3. 浙江中海达空间信息技术有限公司, 德清 浙江 313200)

0 引言

作为我国首批历史文化名城之一,绍兴是江南地区著名的水乡泽国,全市现有桥梁万余座,其中各类古桥有703座且大多为古代石桥,构造坚固,至今仍有使用,是极具特色的大宗文化遗产[1]。随着时间流逝,古代石桥不断受到自然和人为活动的破坏,文物保护刻不容缓。精细三维数字化重建可以探测和保存古代石桥精准的几何结构和丰富的纹理信息,已经成为文物保护工作的重要资料[2]。但是,古代石桥具有复杂的轮廓表面、丰富的雕刻细节和相对庞大的体积,实现古代石桥精细化三维建模成了行业难题之一。

历史构筑物的数字化保护最早利用CAD结合人工调绘开展[3],软件3D Studio Max(简称3D MAX)等专业的三维建模引擎和三维激光扫描技术的集成逐渐成了三维建模的主要方法[4],但多站点激光扫描、人工交互式重建和纹理贴图需要大量的人力投入,而且受限于作业人员的工作经验。随着倾斜摄影测量实景三维建模技术的兴起和不断进步,丰富的纹理信息和高自动化的数据处理过程为历史构筑物的保护性三维重建提供了新的选择[5],但是依然难以兼顾古代石桥保护中大场景范围和局部细节保真的重建需求[6]。

为了保证古代石桥三维重建模型的完整度、精细度和准确度要求,本文提出了一种融合空地远近景影像的古代石桥保护性精细三维重建方法,首先基于无人机平台进行整个场景的倾斜摄影测量数据采集,接着在地面视角对桥梁的局部精细结构和桥底等视线未覆盖区域补拍影像数据,随后通过空地影像的联合处理,实现了古桥整体场景和局部精细结构的完整精细重建,最后根据数字化保护需求,将分割后的桥体三维点云按多个视点方向进行投影并绘制矢量大样图数据。本文提出的方法成功应用在绍兴市古桥群三维重建保护实践中。

1 数字化保护数据采集方法介绍

对于古代石桥的数字化保护测绘,已经广泛地采用了新型测绘遥感技术,主流的方法主要有基于地面测绘、基于激光扫描和基于影像遥感三大类别。传统地面测绘通常用于文物发掘现场,采用全站仪、水准仪等传统测绘设备,基于稀疏的地形结构点采样进行内业数字化成图[6]。这种方法需要现场草图绘制,依赖制图人员经验,且二维的矢量图成果难以满足多样的应用需求。

激光扫描是一种主动式遥感方法,有航空、车辆、地面站点、背包式等多种平台可供选择,以适应不同的采集任务[7]。在文物保护和考古发掘领域,激光扫描已经得到了较为广泛的应用[8],但是仍然有两个方面的限制。其一,是激光扫描设备难以记录准确的目标纹理。虽然设备通常集成数码相机并可将影像纹理映射到离散的三维点云上,但是这种纹理映射的准确程度较低并只有表层,缺乏纵深数据[9]。其二,离散的三维点云通常冗余度较高并存在孔洞,自动化建模会出现大量的拓扑错误[10]。

随着倾斜摄影测量近年来的快速发展,被动式的影像遥感方法具有更高的自动化程度和更丰富的纹理表现效果[11]。无人机平台搭载多视角倾斜摄影测量相机已经成为主流,可以在近地面高度从垂直、倾斜多个视角获取高分辨率影像,利用ContextCapture等软件可以高自动化地获取三维实景模型[12]。对于古代石桥底部或具有精细雕刻结构的石桥局部细节,则需要补拍近距离影像作为补充。在空中三角测量平差时,利用同名点建立空地影像的联系,以得到统一的空中三角测量加密成果,获取更为准确的三维重建结果。

2 融合空地影像三维精细重建

绍兴古桥群由13座元至民国时期的石桥组成,分布于绍兴市区和柯桥区,属于全国重点文物保护单位,具有极高的文物保护价值。本文以广宁桥和泾口大桥为示例,以验证本文提出方法的有效性。其中广宁桥始建于南宋高宗前,是绍兴现存最长七折边形单孔石拱桥,桥拱下有纤道,是桥上桥下两条道路交叉通行的“古立交桥”。券顶镌《鲤鱼跳龙门》《金龙伴玉兔等六幅圆型石雕》,桥拱石上有刻文,现有“万历二年”“会稽廿三都章家,寿命延”“山阴、信官”等字可识[13]。泾口大桥始建于清乾隆前,由三孔马蹄形拱桥与三孔石梁桥组成,拱桥在北,梁桥在南,桥身东西两侧饰狮头长系石,间壁阴刻楷书桥联,桥栏两面饰以浮题图案,望柱头雕莲瓣和蹲狮。此二桥皆历史悠久,具有丰富的雕、联、图、字,且受破坏损毁痕迹重,亟须抢救性三维重建。

2.1 技术路线

融合空地影像三维建模技术路线如图1所示。

图1 融合空地影像的古代石桥三维数字化保护技术路线

2.2 空地影像数据获取

2.2.1无人机倾斜摄影测量

在绍兴古代石桥的空中影像获取过程中,采用DJIM600Pro无人机平台,搭载5镜头倾斜摄影测量相机睿铂DG-3。该设备可同时采集一个垂直视角和四个倾斜视角的彩色影像数据,正视焦距28 mm,侧视焦距40 mm,总像素数1.2亿个。单架次有效航时30 min,在航线规划时相对航高设置为120 m,则地面采样距离(Ground Sample Distance,GSD)可达到5 cm以内,单架次可完成0.5 km2的数据采集任务。

由于古代石桥所处环境复杂,植被遮蔽多且桥体局部细节丰富,在数据采集任务中传统航测的均匀平行航带设计不同,本项目的无人机倾斜航飞过程采取了手工操控绕飞的方式进行,尽可能地采集更为丰富纹理和更全面地覆盖古代石桥。以泾口大桥为例,无人机航飞采集了770张影像,航飞高度从30～80 m不等。

2.2.2地面影像补拍

地面影像可以突破空中视角限制实现石桥底部的信息采集,并可以更高的分辨率获取古代石桥丰富的细节雕刻结构。地面视角影像需要具有较高的相邻影像重叠率,且需要确保地面影像和空中影像数据的重叠度,便于后续影像的联合平差。空地影像的配合可以提高古代石桥信息采集的完整性。本项目采用了索尼Alpha 7RⅡ相机,单张影像有效像素数可达4 200万个,焦距为35 mm。

在古代石桥地面影像拍摄过程中,由于桥下河道航船驻留困难,本项目采用了手持相机拍摄和无人机结合云台单相机侧拍相结合的模式。对于桥拱下和桥侧底部区域,本项目将单镜头相机结合云盘挂载到无人机平台上,由飞控手由远及近采集连续影像。对于桥栏石雕、桥联等行人可达的重点保护对象,手持相机进行围绕式拍照,确保了石桥丰富细节的完善数据采集。以泾口大桥为例,机载单镜头侧视拍照440张,手持相机拍照257张。

2.2.3像控点采集

为了获取具有真实地理坐标的三维重建结果,本项目需要进行像控点的准确测量。考虑到三维重建结果应尽量保持古桥本身的表面纹理,且古桥本身具有大量容易识别的结构特征点,因此本项目像控点不再布设靶标,而是利用了全站仪免棱镜测量桥体结构特征点三维坐标,特别是台阶角点、桥栏顶点、桥雕拐点、地面砖缝接口等。以泾口大桥为例,全站仪像控点采集35个,视距不超过100 m,确保了空三处理环节具有足够数量的像控点数据。

2.3 实景三维重建

本次工程采用了ContextCapture软件进行数据处理。该软件支持显卡GPU计算,支持多台工作站并行集群式运算,可有效缩短三维建模周期。整体数据处理的过程采用了标准的多视立体匹配和三维重建工作流[12],如图2所示。数据导入后,首先进行空中三角测量以获取空中影像和地面影像的绝对定向元素,恢复准确的立体关系,随后进行多视密集匹配,得到三维重建结果。

图2 三维重建流程

空地影像数据由于具有不同的内方位元素,在数据导入环节进行了分组,并进行像控点的刺点,输入全站仪测量获取的像控点全局坐标系的三维坐标。接着,利用软件进行自动连接点计算。由于空地影像具有显著的尺度差异和视角差异,且难免会受到植被覆盖等导致的遮挡带来的干扰,因此通常会存在连接点错误、局部连接点匹配数量不足的情况发生。如果地面补拍的影像存在明显畸变或取景范围太小,也会导致部分影像无法建立连接的情况发生,必要时需要人为交互式的调整连接点。泾口大桥的空中三角测量结果如表1所示。

表1 泾口大桥空中三角测量结果报告

基于空中三角测量得到的空地影像绝对定向结果,通过多视影像密集匹配,可以计算得到场景三维彩色点云数据,并利用点云构建多层级自适应三角网模型。通过自动的纹理映射,每一个三角面片都具有对应位置的真实纹理,即最终的实景三维模型重建结果(图3)。该模型基于瓦片构建多细节层次模型(Levels of Detail, LOD),可以在三维可视化平台中加载并浏览。从图4可以看到,随着视点到观察目标的距离变化,多细节层次模型会自动加载不同细节层次的三角网模型,以优化可视化占用的电脑计算资源,实现模型的高效浏览。

图3 泾口大桥三维重建成果

图4 基于瓦片的多细节层次模型

图5展示了泾口大桥的实景三维模型成果,可以看到融合空地影像的三维重建结果,不仅具有完整的整体表达效果,且完整保留了精细的局部细节结构和纹理。如图5(b)所示,狮头长系石上阴刻楷书桥联“一帆沙鸟庆红桥”,中孔拱券外侧阴刻楷书“泾口大桥”“大清宣统三年辛亥三月”等字皆清晰可见。对于桥底拱顶等处于空中视角遮挡的区域,地面补拍影像的加入使得三维重建成果完整且准确。此外,直观地显示效果和准确的细节恢复,可以快速清楚地进行损毁结构的排查等进一步应用。广宁桥的实景三维模型成果如图6所示。

图5 泾口大桥实景三维模型成果

图6 广宁桥实景三维模型成果

相对于传统的影像资料和文字资料而言,融合空地影像的精细三维重建方法,可以在数字空间直观形象地表达古代石桥的整体风貌和精细的局部细节,最大限度地保留了古代造桥技艺成果,避免了随着时间流逝带来的自然侵蚀和对文物信息传承的人为破坏。

3 结束语

本文针对绍兴古桥群文物数字化保护需求,提出了一种融合空地影像的精细三维重建方法。该方法兼顾了整体场景的实景三维重建和古代石桥局部细节的精细恢复,有效地实现了具有复杂轮廓表面、丰富雕刻细节和相对庞大体积的大宗文物精细三维重建。本文提出的融合空地影像的精细三维数字化保护方法成功地应用在绍兴古桥群数字化保护项目中,与传统方法相比,信息获取快、保留全、处理自动化程度高、效果直观。

由于空地影像具有分辨率、覆盖范围的显著差异,在本方法处理中,仍然需要一定数量的像控点以辅助准确的空中三角测量联合平差,在影像匹配方法上存在交大的改善和优化空间。高自动化获取的实景三维模型在树木、房屋的遮挡下仍然存在一系列模型拉花扭曲的错误,需要后期人工修测参与。