无人机摄影三维建模在历史建筑中的应用

陈小杰 CHEN Xiaojie

0 引言

建筑是城市形象和文化的名片，历史建筑则是城市的历史印记和文化载体，是每个城市不同发展阶段的独特标志和缩影。优秀历史建筑是上海弥足珍贵的文化遗产。目前，历史建筑保护管理面临巨大挑战。历史建筑保护中最小干预原则的要求，使得勘察中获得历史建筑精准可靠的数据信息及其重要[1-2]。传统的历史建筑勘察报告，通常采用文字和图片结合的方式来描述历史建筑的状况，阅读者无法快速获得直观全面的信息，可能对正确评估历史建筑的价值并确定其修缮保护方案产生一定影响，若干年后如需再次进行修缮，阅读历史勘察报告可能会造成理解偏差。

随着近年来无人机技术的不断发展，低空无人机摄影测量技术推动了测绘技术的进步。与之前的摄影测量技术相比，无人机摄影具有操作方便、入门简单、成本低、效率高、场景真的优点。传统的三维建模技术建立在获得大量地形高程数据基础上，并且以纹理贴图为主要技术手段，需要太多人工工作量，但无人机三维建模技术有效避免了这些问题。随着智慧城市概念的推广和实践，也伴随着无人机技术手段的进步，高效快速的多旋翼无人机摄影三维建模技术，在越来越多的城市信息采集中获得应用。

本文根据无人机摄影测量理念，基于多旋翼单镜头无人机模仿倾斜摄影，采用网带式航线拍摄，对某优秀历史建筑采用Context Capture 软件进行数据处理建模，为今后更多优秀历史建筑的快速数字化存档提供方法参考。

1 无人机摄影三维建模技术

无人驾驶飞机简称“无人机”（UAV），是利用无线电遥控装置和内部程序控制装置操纵的不载人飞行器。与载人飞机相比，无人机体积小、造价低、飞行灵活、对地形环境要求低。随着高新技术在无人机研制上的应用，新翼型和新型材料的无人机逐步实现了较长时间的导航。

无人机可实现高分辨率影像的采集。目前，比较主流的三维建模软件有Bently 公司的Context Capture，Agisoft公司的PhotoScan，瑞士Pix4D 公司的Pix4Dmapper。这 三种软件各有优缺点，PhotoScan 系统轻量，但生成的模型纹理效果不甚理想。Context Capture 生成的模型质量最为精细，人工干预工作量较低，但软件比较复杂。Pix4Dmapper 的各项水平介于两者之间。三者对比如表1 所示。

表1 建模软件性能对比表

经综合考虑，本文中案例选择Context Capture软件作为处理软件。Context Capture 是一款功能强大的三维实景建模软件。借助该软件，无需昂贵的专业化设备，只需要利用普通照片即可快速重建三维模型并保留绝大部分细节。Context Capture 软件包括Master（主控台）、Setting（设置）、Engine（引擎）、Viewer（浏览）等几部分。

无人机摄影三维建模技术是通过采集特定地区图像，以此获得该地区建筑物各方位纹理的技术。所获得的图像资料不仅能反映该建筑物的真实情况，还能对所获建筑图像进行处理，生成立体的三维建筑模型[3-4]。无人机摄影三维建模技术主要分成以下几个步骤。

（1）数据采集。与传统的摄影测量技术不同，无人机摄影测量中可以调整摄像头角度的功能，避免了垂直摄影无法进行侧面信息采集的缺陷。无人机摄影测量技术，通过多角度全方位获取建筑物信息，可以反映出建筑物的三维信息，奠定三维实景建模的基础。无人机摄影测量时，以无人机飞行平台为媒介搭载高清相机，配合云台转动和无人机飞行，获取目标建筑物的影像资料。在获取目标建筑物影像资料时，要根据目标建筑物所处环境和天气情况，决定拍摄高度、角度，设置航线等。影像资料的质量直接影响后续空中三角测量的精度。无人机航拍既可以人工拍摄，条件允许时也可以进行全自动拍摄，可大大提高人工效率，缩短作业时间。

（2）数据处理。通过无人机获得影像数据后，采用Context Capture 软件进行处理，该软件人工干预少，建模自动化程度高。处理时，首先，将所得影像资料进行导入并检查是否完整，并满足重叠度要求；随后，为了提供决定定向的控制点，进行空中三角测量，并对其进行解析，即空三计算。空中三角测量是利用影像匹配，确定影像之间的同名成像点以及图像控制点，通过联合平差，得到地面坐标和外方位元素。空中三角计算成功之后，可以进入三维建模。如果失败，可对影像资料进行重新检查，决定是否需要删除部分影像或者进行补拍补充数据。空三计算是整个三维建模最重要的步骤，直接决定了最后三维建模的质量。

（3）三维建模。建模完成后，检查完成模型与实际建筑之间是否有失真、丢失结构、破损等问题，可以采用图像处理软件进行图像优化。最后在Context Capture 软件中删除周边无关障碍物进行修模处理。

2 工程概况

某优秀历史建筑建于20 世纪20年代末，为独立花园洋房，建筑占地约250 m2，建筑面积667 m2，假三层砖木石混合结构，英国乡村别墅风格（图1）。

图1 某优秀历史建筑实景图

建筑坐北朝南，为不对称结构。南面2/3 的开间凸出，底层西南角为外凸的三面窗形状，使采光和通风都处于较佳状态，该部分二楼为露台，连通主卧室。中间底层为双连拱券窗，到了二层改为平窗；靠东立面略有后退，月台之后是三扇连续拱圈的落地窗。屋顶为多坡红瓦顶，假三层设计为双尖顶，各开一扇屋顶窗。北立面临街，为山墙木架外露，具有英国乡村住宅的特征。建筑外墙采用拉毛水泥与红砖相间，造型变化较多。几十年来，该建筑整栋保存完好，1999 年，荷兰女王率政府代表团访问中国，来到上海，在这座建筑物里召开了国际房地产研究和老建筑保护座谈会。中外专家济济一堂，交流座谈。同年，该建筑被公布成为上海市优秀历史建筑，同时为市级文物保护单位。

3 基于无人机摄影的历史建筑三维建模

3.1 数据获取

无人机收集到的图像质量和前期材料收集的质量密切关联。事先进行目标建筑物周边勘探并设计航线，选择合适的航拍参数。图像采集采用多旋翼单镜头无人机模拟倾斜摄影测量，使用单镜头获取全方位视角。多旋翼单镜头无人机采用大疆MINI 2（图2），关键参数包括最大飞行速度：16 m/s（运动档）、10 m/s（普通档）、6 m/s（平稳档）；悬停精度：垂直±0.1 m（视觉定位正常工作时）、±0.5 m（GPS 正常工作时）；水平±0.3 m（视觉定位正常工作时）、±1.5 m（GPS 正常工作时）；云台俯仰-110°～ 35°（角度控制精度±0.01°）；镜头：视角83°、等效焦距24 mm、光圈：f/2.8、焦点范围1 m 至无穷远；有效像素：1 200 万（分辨率 4:3 宽高比下4 000×3 000，16:9 宽高比下4 000×2 250）；传感器尺寸：1/2.3 英寸 CMOS。为了使航线覆盖整个建筑物区域，采用网带式航线，航线飞行高度为40～60 m，无人机采用45°～90°俯角来覆盖所有视角。拍摄中，保证旁向和航向重叠度均为75%[5]。

图2 本次拍摄使用的无人机

3.2 数据处理

对所获得的所有图像进行预处理，检查影响数据是否有所缺失，删除重复的图像。设置进行空中三角测量计算的参数，包括焦距、主点等，采用Context Capture 软件进行空中三角计算，确定输出格式、压缩质量等建模结果参数，选择空间参考坐标系，进行三维数字模型构建。完成构建后再进行修模，删除模型中可被删除的树木以及附近的其他建筑物。

3.3 成果文件

在建模完成后，获得了该建筑较为完整的三维建筑模型（图3）。

由图3～5 可知，基于无人机摄影三维建模技术得到的该优秀历史建筑三维模型可以将建筑物的特征立体、真实、完整地表达出来，细节部分也清晰可见。使用者可以很方便地在Viewer 软件中统观全貌，也可以随意转动放大查看需要仔细查看的部分，犹如身临其境。从某种意义上来说，因为无人机航拍对于屋顶的描摹，模型查看者可获得比在现场查看更好的体验。

但从图3 也可以看到，完成的三维模型中，出现较多遮挡的地方，特别是高大的树木，枝叶繁茂，细节众多，常常会使得被遮挡部分的细节有些失真。此外，对细小或文理单一的物体建模能力不足，比如二楼的栏杆部分，出现空洞。另外，拍摄时因光照影响，可能使屋顶建模产生一定色差。这些缺点都需要在拍摄时机选择和修模中进行调整。

图3 三维模型鸟瞰图

4 结语

图4 三维模型正立面图

图5 三维模型局部细节图

保护城市历史记忆，挖掘城市历史文脉，是维系现代与历史的基础。在日新月异高速发展的城市化进程中，保护城市历史记忆尤为重要，对优秀历史建筑的有效保护更是迫在眉睫。数据采集是历史建筑维护和利用的重要步骤，是历史建筑数据化保存的重要环节。通过三维实景建模的方法将优秀历史建筑进行保存，可以为后续的保护修缮和活化利用提供基础数字资源，甚至可以进一步用这种方式将历史建筑现状呈现在公众面前，更大范围地展现城市风貌。

多旋翼无人机机动灵活，起降场地要求不高，小巧易携带，组装方便，操作门槛低，相对成本低廉，克服了之前大飞机航拍的局限性，更适合在建筑密集和高差复杂的城市地区使用。本文以上海市某优秀历史建筑为例，采用多旋翼无人机摄影三维建模技术，通过Context Capture 软件构建的三维模型与真实建筑物有着高度一致性。与传统勘察技术相比，在三维实景建模中具有自动化程度高、建模速度快、模型逼真的优点。无人机摄影三维建模技术适合在优秀历史建筑的保护中广泛应用。