基于实景三维的古建筑测绘建模方法探析——以济南灵岩寺辟支塔为例.pdf

138人文科技0 引言历史古建筑是时代的符号、文化的沉淀，极具艺术、历史、科研价值。历史古建筑测绘是历史古建筑保护和利用工作中重要的基础性工作，主要是通过对历史古建筑进行信息采集和记录，获取完整的数据信息，进行数字建档、模型建立以及 GIS 地理信息服务平台建立等，为历史古建筑改造、修缮、重建、合理利用提供科学依据。住房和城乡建设部办公厅印发住房和城乡建设部办公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1，需要详细测量和绘制山东省的古代建筑，并确保每一栋古建筑都有一份专属的测绘记录归档。这些测绘记录不仅能够用于建立和维护古建筑的数字化档案，还能在古建筑迁移、重建以及修复其核心文化元素等多个领域发挥重要作用2。当前，中国在古建筑测绘领域的研究还处于初级阶段。传统的测绘技术存在一定的局限，尤其是在满足全域、全息和全空间数据结果方面的技术需求上，传统方法表现出明显的不足3。随着科技的不断发展，人们对建筑信息的感知需求进一步增加，以无人机遥感技术为代表的新一代测绘技术应运而生。采用尖端技术的新兴测绘方法，通过在多维空中平台上安装激光雷达和影像传感器，能够主动精准捕捉和记录地表及地物的确切位置、几何形态以及纹理细节。利用这种技术能够有效获取关于地表的详尽信息，为地图制作和地理信息系统提供高精度的数据支持。它以高精度定位、高动态范围、大覆盖范围为主要优势，实现对海量历史资料及文物建筑信息的高效快速采集与处理4。这些数据成果广泛涵盖多平台的激光点云以及各类影像数据，不仅标志着其在数据收集、数字化管理和综合应用方面的多功能性5，还证明其在多个应用场景中具有深度利用的可能性。包括但不限于三维场景重建、高精度地图制作和文物保护等，都深刻体现了这些数据成果的应用价值6。本文基于实景三维的建设背景，针对由多种测绘方案收集的多源数据，深度洞察各种技术的特性。结合倾斜摄影测量和近景摄影测量，以及对图像三维重建技术的运用，为历史建筑的三维模型构建提供可能。1 实景三维建模发展现状1.1 政策支持2018 年 3 月，第十三届全国人大第一次会议通过了有关国务院机构改革的决议，并正式批准中华人民基于实景三维的古建筑测绘建模方法探析以济南灵岩寺辟支塔为例王新宇，张智超（山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南 250101）摘要：目的：传统的建筑三维建模方法在处理古建筑时面临诸多限制，如范围小、细节丰富且复杂，难以获得高质量的模型。因此，文章旨在探索一种新的方法来创建精细且逼真的古建筑三维模型，从而更好地推进历史建筑的维护、修复和展示工作，同时也为城市规划和历史文化街区的保护提供重要参考。方法：文章采用结合倾斜摄影测量和近景摄影测量的方法，利用这两种技术的优势来克服传统方法的局限性。倾斜摄影测量技术能够从多个角度捕捉建筑的影像，有助于获得更全面的视角和信息。近景摄影测量则专注于建筑的细节，能够提供高精度的数据。结合这两项技术，可以获得更加全面和精确的数据，为后续的三维建模打下坚实的基础。结果：通过精细的影像匹配和点云技术，成功创建灵岩寺辟支塔的精细三维模型。这一模型不仅精度高，而且细节丰富，完整展现了古建筑的特色。此外，使用先进的软件工具，有效优化了建模流程，建模的效率和质量大大提高。结论：研究证明了倾斜摄影测量和近景摄影测量相结合的方法在古建筑三维建模方面的有效性和实用性。这种方法不仅提高了模型的总体精度，还优化了建模流程，为历史建筑的保护、维护和展示提供了新的技术路径。此外，该方法还可以广泛应用于类似的历史文化街区规划和保护工作中，具有重要的现实意义和广泛的应用前景。通过这种技术，可以更好地保护和传承珍贵的历史文化遗产，为后代留下宝贵的资源。关键词：古建筑测绘；实景三维重建；单体化建模；智能化测绘中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1004-9436（2024）05-0138-05139第 37 卷第 5 期 2024 年 3 月Vol.37 No.5March 2024艺术科技共和国自然资源部的成立7。随着国家治理体系治理能力现代化步伐的不断加快，数字城市已成为新时代社会发展与创新的重要内容之一。全国范围内的测绘业务逐步与“两统一”自然资源管理模式的融合，对实景三维中国的构建提出具体且迫切的需要。国家层面对于地理信息数据的更新周期不断缩短，如何利用先进技术加快推进自然资源信息化建设成为当前亟待解决的问题之一。2018 年 4 月，在执行对海南省的行业调研期间，自然资源部部长陆昊明确指出一项要求将自然资源的登记以及相关系统从目前运用的二维框架更新转变为三维结构。施行这一措施的目的是应对自然资源调研、产权确认和国土空间规划管理等核心问题。2019 年 2 月，全国国土测绘工作座谈会在北京召开，会上提出 2020 年开始“十四五”基础测绘规划编制的计划，并确立构建“实景三维中国”的目标。2020 年 10 月的研讨会上，进一步强调了加强基础发展、加速基础测绘转型升级、积极推动新型基础测绘体系建设、迅速实现实景三维中国的构建以及推进全球地理信息资源建设的重要性8。此外，2021 年 2 月自然资源部办公厅关于印发 的通知（自然资办发202121 号）9详细阐述了自然资源三维立体时空数据库的架构、数据构建的技术规范以及数据库建立和整合集成的方法等关键要点，为构建自然资源三维数据模型提供了技术指南，并进一步强化了以高质量自然资源管理促进发展的工作指标。自然资源部采取了一系列密集而有序的行动（见图 1），充分展示了其致力于构建实景三维中国的坚定决心。实景三维中国的建设已经变成我国测绘技术从二维向三维转变和升级的不可避免的路径。图 1 实景三维中国建设发展历程（图片来源：编者自绘）1.2 古建筑智能化测绘工作方法发展历程随着科技的进步，历史古建筑测绘从初始的手工测量法，到后期采用全站仪、测距仪、钢尺等人工测绘工具获取建筑测量信息的测记法。数据采集和处理虽简单，但需消耗大量人力，且所获成果以平面、立面和剖面图纸为主，形式较为单一。如今，倾斜摄影测量、三维激光扫描、贴近摄影测量等新测绘技术全面发展，为历史古建筑保护工作提供了更加机动、灵活和高效的智能化测绘手段10。其中，倾斜摄影测量主要是采用无人机低空航拍获取建筑真实影像，通过构建实景三维模型反映建筑全貌，测量效率高；三维激光扫描是一种通过非接触式测量即可瞬间获取被测物体大量物理信息和几何信息的方法，数据精度可达毫米级；贴近摄影测量技术则基于无人机集成 RTK 厘米级高精度定位技术，通过云台精准控制相机俯仰角和旋转角，对非常规地面或者人工物体表面进行贴近飞行，高效获取厘米甚至毫米级别分辨率影像。结合以上智能化测绘技术的优势，能够全方位获取复杂历史古建筑的测绘信息，实现历史古建筑精细化、结构化、内外一体的高精度数字化重建。图 2 采集现场无人机智能化飞行界面（图片来源：编者拍摄）1.3智能化实景三维技术针对塔类古建筑测绘的优势塔类建筑的建筑本体结构复杂，建筑高度高，周边地形多变，环境不易控制，当下对建筑表面色彩、图像、纹理特点等细节特征的采集要求不断提高，在综合考量模型质量、人力成本、技术难度、作业时间、作业安全等多方因素下，采用轻型无人机（见图 2）并配备相机进行倾斜摄影以构建三维实景模型，140人文科技这种方法具有很高的性价比。该方法适用多种形态的建筑，且能克服塔类建筑高度高、结构复杂、外部数据不易获取等困难。同时，使用无人机智能化的测绘技术，操作员可免于在现场持续操作，可以专注于观察采集信息质量。最后利用倾斜摄影技术采集的影像数据，使用 ContextCapture、MetashapePro 等实景三维建模软件进行多角度有序影像的三维重建以实现对古建筑的三维建模，建模完成后可以依据实景修复、完善目标模型，也可以作为数据源应用于其他古建筑数字化项目中11。图 3 灵岩寺辟支塔实景（图片来源：编者拍摄）2 古建筑智能化测绘工作的技术流程2.1 前期准备工作在测绘灵岩寺的辟支塔之前，首先要对其进行初步调查和评估，了解现场的基本情况和测绘的复杂性。根据前期准备信息可知，灵岩寺辟支塔是一座八角九层十二檐的楼阁式砖砌建筑（见图 3），主要特点在于其有重檐，属于密檐楼阁式建筑结构，在国内独此一例。辟支塔区域周边已开发为风景区，周边空间狭小，一侧为山地地形并有茂密植被覆盖，不利于人工勘测，塔身较高且细节丰富，高处塔檐的观测难度极大。前期准备工作不仅能提升测绘工作的效率，还能为后续的测绘任务提供必要的数据支撑。2.2 现场踏勘现场踏勘的目的是详细了解历史古建筑所处位置的地形、建筑特色和现状，以及古塔周边环境。采用无人机进行环绕飞行获取低分辨率影像，得到历史古建筑粗略的地形三维模型。结合单反相机拍摄辟支塔细部特色（见图 4），全面了解历史古建筑的现状和采集建模难度。图 4 辟支塔细部照片（图片来源：编者拍摄）2.3 方案制定与数据采集现阶段数据采集方法主要分为无人机贴近摄影测量、架站式激光扫描测量。无人机贴近摄影测量以无人机搭载 P1 单镜头相机进行贴近摄影测量数据采集（见图 5）。基于测区踏勘时期获得的粗略地形三维模型进行航线设计，以保证无人机贴近飞行的安全性和成果精度。航线主要包括塔身环绕贴近，山墙、屋脊立面等贴近敷设。在保证飞行安全的情况下，无人机航线至建筑物贴近距离最小可达 5 米。图 5 无人机贴近采集测量图例（图片来源：编者自绘）2.4 高精度模型生成采用三维建模软件对环绕、立面等贴近拍摄的影像进行自动、快速实景三维建模，结合 AgisoftMetashapePro 软件进行局部编辑及优化，完成对辟支塔三维模型精细化修饰。2.4.1 对齐照片在对齐照片的过程中，首先依据各点之间的相对位置来确定相机的拍摄地点和基本矩阵，接着根据特征点的确切位置来调整相机的位置，并据此产生稀疏141第 37 卷第 5 期 2024 年 3 月Vol.37 No.5March 2024艺术科技的点云信息。在 MetashapePro 的“工作流程”部分，选择“对齐照片”选项，并根据用户的具体需求，选择对齐照片的输出品质（见图 6）。图 6 辟支塔对齐照片后稀疏点云（图片来源：编者自制）2.4.2 调整建模区域在进行照片对齐的过程中，软件会进行匹配以生成点云，因此生成的稀疏点云区域相对较大。利用建模初期获得的稀疏点云，在 Metashape 操作栏中选择“调整区域大小”，通过轨迹球调整建模区域核心位置。为了保证模型能够满足实际生产需求，需要适当调节建模区域的宽度与高度，本文基于特征识别算法来快速精确地定位与重建密集点阵模型。在接下来的模型构建阶段，仅专注于处理模型区内的点云数据，以确保生成的高密度点云主要集中在关键区域，避免由于区域过大或未生成高密度点云而导致建模时间延长的问题。框选更精确的区域可以对重点区域进行独立渲染，框选区域越大，则耗时越长（见图 7）。图 7 调整后的建模区域框2.4.3 生成密集点云在后续的网络和纹理生成过程中，主要依赖密集点云数据。这些密集的点云为后续模型的构建提供了坚实的基础。因此，为了确保模型纹理的清晰度、结构的准确性和较高的精度，在构建密集点云时，必须确保点云的准确性和清晰度。在创建高密度的点云模型时，应当根据模型重构所需的实际成果和精确度标准来挑选合适的质量选项。由于生成密集点云是模型重构过程中最耗时的步骤，即便两种参数生成的结果相似，所需的时间可能也会有很大的差异，因此应选择建模时间较短的参数来生成密集点云（见图 8）。图 8 辟支塔模型密集点云2.4.4 生成含纹理模型在密集点云的基础上生成渲染模型，同时生成网格和纹理，在 MetashapePro“工作流程”中选择“建立瓦片模型（BuildTiledModel）”，并根据所需要精度的贴片质量，贴片质量越高则模型细节越多，反之模型细节越少。相比传统建模方法，其可以在节约大量时间的基础上获得材质更还原的模型（见图 9）。图 9 辟支塔激光扫描真彩色点云和多源数据融合点云（图片来源：编者自制）142人文科技2.4.5 历史古建筑数字化测绘图制作历史古建筑数字化测绘图包括平面图、立面图、剖面图以及详图等，可以基于无人机贴近摄影测量技术构建的建筑精细化实景三维模型和贴近摄影测量与激光扫描融合的点云模型，进行抽稀、点云正射、切片处理后直接绘制（见图 10、图 11）。图 10 辟支塔西立面、东立面与南立面（图片来源：编者自制）图 11 辟支塔现状及周边顶视图（图片来源：编者自制）采用传统的测绘技术手段测绘历史古建筑，其效率、精度以及取得的数据成果难以满足新时期测绘地理信息行业对历史古建筑精细化重建的需求。考虑到历史古建筑的结构和环境特性，综合应用倾斜摄影、贴近摄影测量和辅助的三维激光扫描测量技术，可以获取建筑室内外毫米级精度的测量数据，同时弥补辟支塔顶部细节及高处缺失的点云，为历史古建筑测绘和保护提供精细化的数据保障。3 结语本文以济南市灵岩寺辟支塔为例，采用影像匹配点云和激光点云融合后构建建筑物精细模型的方法，探索倾斜摄影与照片三维重建技术的优势，并细致优化建模过程，这不仅提高了部件级别精细模型的整体精确度，还为古建筑提供了结构化和语义化的描述。鉴于山东省历史建筑的地理位置和其独有的特点，采纳了多种前沿的技术手段，为山东省历史建筑的数字化档案建设提供了数据支持。除此之外，也对历史建筑测绘的标准和成果的归档进行标准化和规范化的研究。建立完善的数字档案系统，能使历史文化遗产得到有效管理，并最终实现“以空间位置作为唯一依据”的信息查询方式。该项目的成功实施将为未来历史建筑的测绘，以及与之类似的历史文化区域的规划和保护测绘提供宝贵的参考。参考文献：1 住房和城乡建设部办公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（建办科20212 号）A/OL.住房和城乡建设部办公厅，（2021-01-18）2023-05-18.https:/ 王茹.古建筑数字化及三维建模关键技术研究D.西安：西北大学，2010.3 顾建祥，董震，郭王.面向上海城市数字化转型的新型测绘 J.测绘通报，2021（7）：131-134，139.4 魏子新.关于上海新型基础测绘体系建设试点的实践和思考 J.中国测绘，2020（6）：48-51.5 宁振伟.背包、车载激光扫描结合无人机倾斜航测实践于社区全息数据采集 J.测绘通报，2021（3）：159-163.6 阮明浩，卢永华，刘玉贤，等.激光与倾斜点云精确配准与无缝融合 J.测绘通报，2022（4）：6-10.7 中华人民共和国自然资源部公告（2018 年第 21 号）J.中华人民共和国国务院公报，2018（34）：75.8 陈军，刘建军，田海波.实景三维中国建设的基本定位与技术路径 J.武汉大学学报（信息科学版），2022，47（10）：1568-1575.9 自然资源部办公厅关于印发自然资源三维立体时空数据库建设总体方案 的通知（自然资办发 2021 21 号）A/OL.中国政府网，（2021-02-08）2023-05-18.http:/ 刘锟，唐甲录，邓富琨.历史建筑测绘建档中的多技术融合：以桂林市历史建筑测绘建档项目为例 J.城市勘测，2021（5）：174-177.11 李子欣.基于 Metashape 的移动机器人三维地面环境的重构 D.北京：北京交通大学，2019.作者简介：王新宇（1999），男，山东青岛人，硕士在读，研究方向：建筑历史与遗产保护。张智超（1998），女，山东济南人，硕士在读，研究方向：建筑历史与遗产保护。