浅析数字测绘技术在建筑遗产保护中的应用——以卫辉望京楼为例

□付力

卫辉望京楼位于河南省卫辉市汲水镇望京楼后街，于明万历十九年(1591年)动工，明万历二十一年(1593年)竣工，迄今已有四百余年的历史。望京楼平面呈长方形，坐北朝南，砖石结构。高33米，宽30米，进深19米，共分两层。外壁用青石砌筑，内壁用白石镶筑，外壁中间有白石腰檐。第一层东、西、北三面共有四窗，为券顶，青石窗棂残迹尚存。在东南、西南角各辟一石券门，青石门框，由两门青石踏步可登至第一层楼。一层建十字拱券，四面辟门，高大宽敞。每券门上有两道木栏杆槽，下有一道石栏杆槽。北券有四门，均为青石门框。由东、西两门沿青石踏步可登至第二层楼。第二层原有五间歇山式大殿，名曰崇本书楼，是供父子藏书和习书画的宫室。崇本书楼已毁，大殿柱础尚存。大殿前、左、右有回廊，殿后有两个小门。

望京楼形体高大，结构坚固，内砖外石，砌筑工整，设计科学。望京楼是我国目前保存规模最大，设计科学的无梁殿建筑之一。2006年，国务院将其公布为第六批全国重点文物保护单位。

一、将数字测绘方法引入建筑遗产保护工作的必要性

古建筑测绘在建筑遗产保护工作中具有重要意义，古建筑测绘是保护、发掘、整理和利用古代建筑遗产的基础环节，同时又为建筑历史与理论研究、建筑史教学提供翔实的基础资料。文化遗产的数字测量方法很早就已在可移动文物的保护领域得到应用，不可移动文物尤其是建筑遗产的保护因其体量大、结构相对复杂，数字测绘方法引入较晚。

（一）建筑遗产测绘精度的需要

传统的利用卷尺、铅锤、测距仪等工具进行手工测绘的方法，虽然也能对一处建筑遗产进行较为详细的测绘，但是这种方法存在着很多不确定因素。首先，测绘人员的测绘水平和工作经验各不相同，在数据测量和测稿绘制等过程中就会对测绘的精度产生影响。其次，在一些受环境影响测绘人员无法到达的位置，或是空间狭小、结构复杂测绘人员无法接触到的建筑构件，传统的测绘方法是依据现场照片对结构和尺寸进行推断或者估算，在这种情况下，测绘的精度就更加难以保证。

（二）建筑遗产信息资料数字化保存的需要

数字测绘方法可以将建筑遗产的各种信息资料最大限度地采集并保留下来，同时数字信息技术的发展，为数据信息的传播和共享提供了便利，也为数据的应用研究提供了更多可能，数字信息时代的文物保护工作需要建立现代信息技术应用体系。以传统的文物保护单位四有档案为例，以往文档、图片的存储方式，已经不能满足新形势下文化遗产保护和研究的需要。较低的信息数字化水平和非数字化的信息在数据分析、数据共享方面存在很大限制，部分数字化信息格式混乱，无法实现数据的交互。

（三）为文物保护工程提供更加准确的数据支持

传统的人工加卷尺的测绘方法在多种类型的建筑遗产和复杂多变的遗产环境面前显得力不从心，测绘效率不高的同时，采集数据的准确性也存在不确定性。随着我国文物保护事业的发展和遗产保护水平的不断提高，今后的文物保护工程更需要严谨和详细的信息数据作为技术支持。

二、卫辉望京楼的外业数据采集工作

（一）建筑外立面的测绘工作

1.数字测绘手段选择

卫辉望京楼是全国保存最完整、规模最大、设计科学的一座高台无梁石构殿建筑。望京楼形体高大，建筑外墙用青石砌筑，结构坚固。由于多年来风雨的侵蚀，植物的根劈作用以及局部石块的损坏、掉落引起的连锁反应，楼体外壁石砌石料大量剥落，并且楼体还出现多处胀鼓和开裂，植物生长较为茂盛。根据上述情况，传统的建筑立面线画图无法真实地还原建筑本体的病害和残损情况。望京楼周边多为一层平房，无高大建筑，可对楼体采集立面正射影像图。所以我们选用无人机携带高清相机对楼体外立面运用倾斜摄影测量技术采集图像，后期通过三维建模来获取楼体的各个立面的正摄影像图。

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项新兴技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像数据，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，而且还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。

2.外业控制点布设

控制点布设是倾斜摄影测量的关键工作，直接关系到最终测绘成果的精度是否满足测绘要求。利用全站仪进行控制点的布设，便于后期数据的坐标统一管理，本次控制点坐标系统为局部工程坐标，北方向为正北方向。首先利用全站仪进行控制点布设（图1），布设6个控制点（表1）：

同时再布设10个像控点（图2），标靶选用10厘米×10厘米的黑白标靶，使用全站仪对靶心进行坐标测量，用于倾斜摄影测量影像处理三维精度的控制。

表1 控制点坐标

图1 使用全站仪进行控制点布设

图2 像控点布设

图4 无人机倾斜摄影POS数据

3.无人机倾斜摄影影像采集

由于本次数据采集要求精度误差在5厘米以内，必须使用高成像质量相机贴近楼体飞行进行倾斜摄影作业。小型便携式无人机虽然小巧方便可以更加贴近望京楼楼体进行采集，但是受体积和重量的限制无法携带成像素质更高的相机设备。所以此次飞行选用DJI S1000八旋翼无人机作为飞行平台，最大起飞重量11公斤，携带两部索尼A6000型数码相机，单部相机为2430万有效像素。（图3）由于飞行器较重且体积大，又要贴近楼体飞行，在保证飞行安全的前提下，为提高作业效率，两部相机设置为15°夹角同时进行影像采集。采用垂直航线飞行，使每条航线保证75%的航向重叠率，使每两条航线之间保证60%的旁向重叠率。（图4）采集完毕后检查照片曝光是否正确，像控点在照片中是否清晰，如有问题，立即进行补充采集，对于无法从空中获取影像的区域使用地面人工的方式进行数据获取。

（二）卫辉望京楼内部结构测绘

1.数字测绘方法选择

望京楼内壁用白石镶筑，白石密度低，自身荷载小，且美观大方，是理想的装饰材料，但其耐候性较差，受环境不利因素影响较大。由于年久失修，二楼顶面长期渗水，持续的水岩作用导致白石软化、岩溶掏蚀，失水固结又导致干裂破坏，特别是角柱的风化致使石券的应力重新分布，出现券石松动、龙口下沉、过河撞券移位的现象。望京楼内部结构并不复杂，但是楼体通道等地方光线昏暗不适用摄影测量方法。

2.三维激光扫描仪扫测

我们选用三维激光扫描仪进行点云信息采集，完整记录望京楼内部结构的几何信息。（图5）扫描前应规划设计扫描站点，站点设置要求分布均匀，尽量减少扫描死角。扫描时根据扫描仪到目标的距离设置水平和垂直分辨率，使得扫描结果均匀。对于重要的目标，可设置更高的分辨率进行细扫。最后进行数据检查，检查扫描数据是否完整，是否有遗漏或错误，及时补充采集数据。同时对外部环境进行补测，对外部无人机拍摄死角进行补充扫描（图6），对缺失的点云进行补充。

图5 三维激光扫描仪扫描内部结构

图6 使用激光扫描仪对无人机拍摄死角进行补充扫描

（三）对崇本书楼基础及诚意坊的测绘

望京楼顶崇本书楼已毁，大殿基础及柱础尚存。存在的主要问题为青砖大面积脱落、基础掏蚀、白灰风化、基础下沉导致的开裂、植被破坏、顶面积水等。崇本书楼基础前的诚意坊，平面呈“一”字形，为青石结构建筑，以四柱三楼四间顶的结构形式组成，具有建筑、绘画、书法、雕刻等价值，存在雕像残缺、裂隙、不当修复等问题，其中明楼部分存在较为严重地歪闪。

对崇本书楼基础的测绘在无人机对望京楼外立面进行倾斜摄影采集中已经基本完成，但台基下部存在大量基础掏蚀现象，使用三维激光扫描仪对病害部位进行补充扫测。

诚意坊位于望京楼顶部南侧边缘，其建筑构件上保存有较多的石刻雕像，具有较高的艺术价值，所以我们使用三维激光扫描仪对诚意坊北面进行加密精细扫描，最大限度地记录建筑构件上的雕刻信息。但诚意坊南面紧邻望京楼本体边缘，没有架设扫描仪的空间，只能使用无人机携带高清相机对诚意坊南面进行局部精细拍摄。

三、采集数据的内业处理工作及成果

（一）无人机倾斜摄影数据内业处理工作成果

本次无人机共采集22.6G原始影像数据，将无人机影像导入Agisoft Photoscan软件，经过“对齐照片”“生成密集点云”“生成网格”“生成纹理”“录入控制点坐标”等步骤完成模型的重建。可导出密集点云，三角网模型和各个方向的正射影像图。

倾斜摄影三维建模工作流程：

利用布设的控制点进行平差处理，得到的精度误差检测，如（表2）：

表2 测量精度检查表

图7 卫辉望京楼无人机倾斜摄影测量构建三维模型

图8 卫辉望京楼立面正射影像图

图9 望京楼内部结构点云数据

经检测无人机倾斜摄影测量各项误差均满足小于5厘米的误差精度要求。

在Agisoft Photoscan软件中生成三维模型后（图7），通过定义各角度视图，导出超高分辨率的楼体外立面正射影像图 （图8）。这种方法获取的立面正射影像图，比起普通相机拍摄的立面图，消除透视关系完全正视，所有景物完全清晰不受焦点景深的影响且像素分辨率更高，建筑本体所有病害、残损全部清晰展现出来。获取的模型可进行精细测量，更加便于现状残损、病害的量化统计。

（二）三维激光扫描仪数据处理及成果

三维激光扫描仪获取的点云数据处理流程，首先将点云进行过滤除噪，后期处理软件可自动识别并删除一些离散点、噪声点。对于其他的杂物及遮挡物，如人、汽车、脚手架等需要人工手动删除。将每一站扫描仪采集的数据进行点云配准，获得望京楼内部结构的点云数据。（图9）自动或手动搜索参考物，如参考标靶、靶球、像控点等，将扫描点云拼接成为一个整体 （图10），并根据误差数据调整拼接。点云配色，激光扫描原理得到的只是点的三维坐标信息和激光反射强度信息，若在采集点云的同时采集了影像信息（内置相机或外置相机），可对采集了色彩信息（RGB）的站点应用颜色。最后将关键点云区块或整体点云导出成通用格式模型，我们获取了望京楼内部完整的构造模型。（图11）获取的数据成果还可以进一步研究，如进行轮廓线提取（图12）等工作。

图10 点云配准后整体点云数据

图11 导出望京楼内部构造模型

图12 三维模型平面及立面轮廓线提取

四、结语

此次望京楼数字测绘工作由3人耗时1天完成，无人机共采集22.6G原始影像数据，三维激光扫描仪共架站43站，采集原始点云数据6.22G，测绘获得的成果及精度完全满足工作要求。事实证明，此次工作选择的无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描两种数字测绘技术，精确、高效地完成了卫辉望京楼的测绘工作。其中无人机倾斜摄影测量与自动三维建模技术，相对于传统的手工建模，展现出数据精确全面、工作效率高、模型纹理真实等特点。将大量传统外业测绘工作以数字化模型的方式转移到内业进行。三维激光扫描技术则将望京楼内部几何结构以点云方式完整记录下来，便于后期的深入研究。本项目取得的数字化成果，为卫辉望京楼数字档案建设、本体维修评估、建筑遗产监测等方面奠定了坚实基础。