基于三维倾斜摄影的古建筑精细化测量与建模方法

吴才芬

（梧州市测绘地理信息院）

1 引言

随着人类活动的日益影响，许多重要古建筑遭到不同程度的破坏。对文物进行三维重建是保护的有效手段。我国古建筑测绘，常常采用标尺、标杆手工测量，这种方法精度低、无明确的精度指标，并会对文物造成一定程度损坏。随着非接触性测量方法——近景摄影测量技术的发展，这种测量方式也逐步运用到古建筑保护中。但这种方法并不能直接获取目标物的几何信息；受摄影时光线不均匀的影响，古建筑物的细节并不能得到完整的表达；在对目标物进行控制测量时，布设在古建筑物上的一些控制点仍会对其造成一定程度的破坏［1-4］。随着计算机及相关技术的迅猛发展，三维激光扫描技术以其非接触测量、数据采集效率高等独特的技术优势，开始在古建筑的数字化保护与复原中扮演重要的角色［5－6］。

本文以某大型仿古建筑为例，利用三维激光扫描和近景摄影测量技术对其进行三维重建。由于古建筑结构比较复杂，古建筑建模精细化的绘制需要将古建筑物的所有特征都要呈现出来，因此古建筑建模精细化生成具有一定难度。古建筑测量获取主要依靠车载动态拍摄，不仅成本高，而且测量精度较低。在测量处理方面，处理后的仍旧含噪较高，测量质量较差，导致生成的古建筑建模精细化清晰度较低，无法满足古建筑建模精细化绘制需求，为此提出精细化测量古建筑建模精细化生成方法。精细化技术精细化测量具有精度高、效率快、密度高等特点，已被广泛应用到多个领域，此次试图将该技术应用到古建筑建模精细化生成中，形成一个新的精细化生成方法，为古建筑建模精细化生成提供理论参考。

2 基于三维倾斜摄影高精度测量的古建筑建模精细化生成方法

2.1 精细化高精度测量古建筑模型采集

根据古建筑建模精细化生成需求，此次选择SHFH-45145 倾斜测量完成古建筑三维测量采集工作。首先，对古建筑物所在区域的环境进行观察，了解古建筑物空间位置情况。根据测区现场情况，布置高精度测站，测站的布置地点应该为古建筑物的正前方，测站的后方无遮挡物，具体布置见图1。

图1 高精度测站布置示意图

如图1 所示，每个目标古建筑都需要布置一个测站，测站与目标古建筑的间距要控制在25m～35m之间，相邻两个测站之间的间距要控制在10m～15m。测站布置完成之后，使用全站仪对测站在国家大地坐标系中的坐标测量进行获取，在后续精细化测量预处理时，需要将精细化测量坐标转换为国家大地坐标系，为后续古建筑建模精细化生成提供高质量测量[1]。在测站区域假设已经调试好的精细化测量，如果测点位置不平衡，可以在测点处搭设平台，将倾斜测量架设在平台上，使精细化测量坐标系的横坐标与地面平行[2]。在计算机上安装与倾斜测量配套的GYHSFH 软件，根据目标古建筑实现情况，通过该软件对精细化测量分辨率、倾斜频率、倾斜速度、倾斜角度等参数进行设定，采用全景倾斜的方式对目标古建筑进行倾斜测量。最后，对获取的精细化测量的完整性进行检查，如果存在测量异常或者缺失情况，需要及时进行补测工作。

2.2 精细化测量预处理

精细化测量获取的测量量比较大，并且在测量采集过程中因受到其他因素干扰，导致部分测量含噪较高，此外还可能存在部分冗余测量，因此在利用精细化测量生成建模前，需要对测量进行预处理，此次使用Genmagic DHF2012 软件完成测量预处理工作。首先，将精细化测量的数据导入到Genmagic DHF2012软件中，将所有测量格式调整为DXF格式或者3DD 格式。然后对将测量数据进行降噪处理，对于一些密度不均，并且远离古建筑目标的测量，在软件中选中人机交互，手动框选中目标测量将其直接删除[3]。对于剩余噪声多的测量，在软件中进行迭代降噪，根据测量实际情况在Genmagic DHF2012软件中设置初始迭代次数，正常情况下初始迭代次数设置为2 次～3 次。迭代2 次～3 次之后，可以剔除大部分的噪声点，但是由于灰尘颗粒，还会有少部分噪声点，对于这部分噪声点需要通过手动的方式剔除[4]。在上述基础上，对测量进行精简处理，利用Genmagic DHF2012软件的“统一采样”功能，调整精细化测量间的疏密度，将测量中的冗余去除掉。最后，对测量进行配准，将所有测量坐标都转换到同一个参考系下，此次通过将刚体转换矩阵作用于目标测量集，将处于不同独立坐标系的测量集相互重合。

步骤1：随机选取两个坐标系测量集，建立一个新的坐标系，令新建坐标系横轴保持不动，旋转两个坐标轴，此时得到一个旋转矩阵；步骤2：通过变换旋转矩阵的尺度参数，令旋转矩阵与新建坐标轴处于同一个坐标系中；步骤3：保持新建坐标轴不动，将两个测量集坐标轴平移，将其与新坐标轴重合，其转换公式为：

2.3 生成古建筑建模精细化

将处理后的精细化测量的数据导入FYSGD 软件中，旋转到主视图，根据古建筑地形测量和精细化测量勾绘出目标古建筑的外部轮廓，此时会得到一个二维面。在FYSGD软件中选中“挤出”对话框，构建一个与二维面相匹配的三角格网，并将测量映射到三角格网中，构建精细化测量之间的拓扑关系。在FYSGD软件中选中“贴图制作”，将古建筑纹理影像照片制作成纹理贴图，其格式采用JRG 格式。将三维拓扑图旋转至顶视图，添加纹理贴图映射，在映射过程中需要严格按照古建筑物立面点云尺寸，进行一对一添加映射，以此生成一个三维立体模型。

建模完成后，将三维模型导入SGFYU 软件，添加古建筑周围的道路、植物以及地形地貌等背景信息，形成古建筑背景图。最后在该软件中将精细化的浏览方式设定为三维效果浏览，进行古建筑建模效果图纸制作，生成一个完整的古建筑建模精细化。

3 实验论证分析

实验以某古建筑为实验对象，利用此次设计方法与传统方法对其建模精细化进行生成。实验准备了五台SHFH-45145精细化测量，一个三脚架以及两个倾斜测量配套电池，根据该古建筑情况，将倾斜测量的倾斜范围设定为10m～1500m，摄影发射频率设定为50000 点/s，倾斜视角范围设定为45°×360°，倾斜速度设定为100 线/s。布设了5 个测站，测站间距为12m，测站与古建筑间距为25m，测站位于古建筑物与街道之间，生成古建筑建模精细化如图2所示。

图2 古建筑建模精细化

为了验证设计方法生成古建筑建模精细化质量，对两种方法生成的精细化进行对比分析。此次实验利用精细化测量共采集到12.15GB 测量，随机抽选五组测量，对其质量进行检验，如表1所示。

表1 精细化测量点位坐标对比

精细化测量与全站仪实测测量基本一致，误差为±0.26m，测量精度满足古建筑建模精细化测量精度要求。实验将该古建筑分成7 个部分，通过测量预处理，生成7个精细化，以精细化清晰度作为检验两种方法可行性指标，清晰度越高表示精细化画面质量越好，实验结果如表2所示。

表2 两种方法生成精细化清晰度对比（p）

从上表中测量可以看出，应用设计方法生成的古建筑建模精细化清晰度最高可以达到1241p，平均清晰度为1076p，已经达到了古建筑建模精细化画面质量要求；而应用传统方法生成的古建筑建模精细化，清晰度最高仅为458p，不仅低于设计方法，而且没有达到古建筑建模精细化画面质量要求。

4 结语

此次将精细化测量技术应用到古建筑建模精细化生成中，形成一个新思路，并通过实验验证了该思路的可行性，有效提高了古建筑建模精细化质量。