浅淡三维数字扫描技术应用于历史建筑的测绘和修复

黄 芳

（景德镇市不动产登记中心 江西 景德镇 333000）

1 引言

历史建筑是人类文化遗产中不可或缺的一部分，它们具有丰富的历史价值和艺术价值。但由于年代久远、建筑结构复杂等原因，历史建筑的测绘和修复工作一直是一个难题。传统的建筑测绘方法需要大量的人力物力，而且很难达到高精度的要求[1]。因此，寻找一种新的测绘方法是非常必要的。无人机三维数字扫描技术作为新兴的测绘手段，具有高精度、高效率、低成本等优点。

2 无人机对历史建筑三维数字扫描的流程

2.1 规划飞行路径

规划飞行路径是无人机三维数字扫描技术的关键步骤之一，其目的是为了保证扫描结果的全面性，以最大程度地覆盖建筑物的各个角度，便于获得高质量的数据。以下是规划飞行路径的基本要点：

（1）建筑物形状和大小：在制定飞行路径时，需要考虑建筑物的形状和大小，选择最佳的拍摄角度和高度[2]。通常，较大的建筑物需要更高的飞行高度和更广的覆盖范围，以便完整地捕捉建筑物外观、位置和顶部结构的细节特征。

（2）航线密度：合理的航线密度可以保证扫描结果的精度和全面性。航线过于稀疏，会导致重叠区域不足或者数据缺失；航线过于密集，则可能会浪费时间和资源。

（3）飞行速度：飞行速度对扫描效率和数据质量有影响。较慢的飞行速度可以提高数据采集的精度和清晰度，但也会增加数据处理的时间和成本。较快的飞行速度可以提高扫描效率，但可能会降低数据质量。

（4）天气条件：无人机三维数字扫描技术对天气条件有一定要求。一般而言，天空晴朗、无风或微风的日子是最适合进行建筑物扫描的。遇到阴雨或强风等恶劣天气，应暂停扫描工作以确保飞行安全。

规划飞行路径是无人机三维数字扫描技术中非常重要的一环。只有充分考虑建筑物的实际情况，选定合理的飞行路径，才能够获得高质量的扫描数据，并为后续的数据处理和模型生成奠定基础。

2.2 进行航空摄影

进行航空摄影是无人机三维数字扫描技术的核心步骤之一，其目的是获取建筑物的影像数据和三维点云数据。通常情况下，无人机进行航空摄影可以采用垂直拍摄、斜向拍摄和红外拍摄等多种方式。选择不同的拍摄方式，可以获得不同视角下的建筑影像数据，从而提高测量精度和可视化效果。拍摄间距是指相邻照片之间的重叠部分。为了产生高质量的三维模型，相邻照片之间需要有适当的重叠，重叠率必须达到30%以上，通常建议达到50%左右[3]。此外，建议无人机采用GPS 导航系统进行定位和控制，以确保飞行路径的准确性和稳定性[4]。在进行航空摄影时，需要遵守相关法规和安全规范，确保无人机、相机和传感器等设备的安全。特别是在城市区域或高层建筑附近，需要注意避免与其他飞行物体发生碰撞。只有在正确设置照相机参数、控制飞行姿态和速度、遵守安全规范等前提下，才能够获得高质量的建筑影像数据和三维点云数据，并为后续的数据处理和模型生成做好准备。

2.3 数据处理

数据处理是无人机三维数字扫描技术中非常重要的一步，其目的是将航空摄影获取到的影像数据和三维点云数据转换为可视化的三维模型。首先需要将航空摄影获取到的照片、图像和点云数据导入计算机，存储在本地或云端数据库中。在数据准备阶段，需要检查数据质量并进行必要的校正等操作[5]。其次，对于从不同角度拍摄的建筑数据，需要先进行数据配准以确保数据的一致性和连续性。数据配准包括相邻照片间的匹配、点云间的配准、坐标系转换等操作，在此基础上将点云数据进行滤波、分割、重构等操作，生成高精度的三维点云模型。点云处理的目的是去除噪点、填补缺失区域、提高点云密度等[6]。最后，对航空摄影获得的影像数据进行校正、统计、配准等操作，生成高质量的影像纹理贴图，将点云数据和影像贴图结合，借助三维重建软件生成可视化的三维模型。根据需要，对三维模型进行编辑、修补、精细化设计等操作，以获得最终的模型效果。

2.4 提取平面图

通过无人机三维数字扫描技术对历史建筑进行测绘应用研究，可以生成高精度的三维模型，而在一些需要平面图的应用场景中，也需要从三维模型中提取出相应的平面图。首先，用三维建模软件，将三维模型按照需要的切割线进行分割，生成楼层、房间等区域。在分割好的区域内，提取出每个区域的轮廓线。这一步通常可以通过边缘检测算法来实现[7]。利用轮廓线，将各个区域的平面图进行拼接。这一步通常需要借助于点云软件和绘图软件及图像处理软件等。在完成平面图的初步生成后，还需要对其进行校正和调整。包括调整比例尺寸、修复缺陷、添加标注等操作。通过无人机三维数字扫描技术生成平面图，不仅可以提高平面图的精度和准确性，还可以为后续的应用场景提供基础数据支持[8]，在历史建筑文物保护、修复、重建和展示等方面都具有广泛应用前景。

3 案例分析

3.1 项目概况

景德镇市作为中国首批历史文化名城，市政府先后公布了两批次重要历史建筑113 栋，划定了历史街区6 个，位于景德镇市陶阳里御窑景区的湖口会馆是其中的一处典型代表。为加强历史建筑保护，延续城市文脉，进一步体现千年瓷都的历史自觉和文化自信，政府采取了系列先进测绘技术开展数字建档工作。

湖口会馆作为一项文物保护和修复工程，运用了地面三维激光扫描技术配合无人机三维数字扫描技术，提高了文物保护的精度和准确性，同时为后续的修复、重建和展示提供基础数据支持。湖口会馆的测绘主要存在以下几个问题：

（1）建筑物结构复杂：湖口会馆是一座传统的中式建筑，结构复杂。采用传统测绘工具难以获取到精确的建筑信息，而无人机三维数字扫描技术能够有效地解决这个问题。

（2）传统测绘方式效率低：传统的测绘方式需要人工登高、悬垂等操作，不仅费时费力，而且存在安全隐患。使用无人机三维数字扫描技术，可以快速、准确地完成测绘任务，并避免了人身伤害风险。

（3）文物保护需求：湖口会馆是一处具有较高文化价值的历史建筑，需要进行有效地保护和修复。通过无人机三维数字扫描技术对湖口会馆进行测绘，可以为后续的文物保护、修复和展示提供基础数据支持。

（4）维护城市形象：湖口会馆所在区域是景德镇市的重要景点，具有一定的城市形象代表意义。通过无人机三维数字扫描技术对湖口会馆进行测绘应用研究，可以提高该地区的景观质量，增强城市形象的吸引力。

3.2 测绘工作流程

通过无人机三维数字扫描技术对湖口会馆进行测绘应用研究的基本步骤如下：

（1）提前勘探，并规划飞行路径：在确定使用无人机三维数字扫描技术进行测绘后，需要规划好航线和制订飞行计划。根据湖口会馆的实际情况，选择适当的拍摄角度和高度等参数，设计合理的飞行路径。湖口会馆坐标如表1 所示，湖口会馆周围关系如图1所示。

图1 湖口会馆周围关系

表1 湖口会馆坐标

（2）进行数据采集：利用无人机在规划好的飞行路径上进行航空摄影，获取湖口会馆的影像数据和三维点云数据。在航空摄影过程中，需要注意保证无人机的安全，并确保数据的质量和连续性。湖口会馆设计无人机扫描线路如图2所示。

图2 无人机扫描线路

（3）数据处理：将航空摄影获取到的影像数据和三维点云数据导入计算机，进行数据配准、点云处理、影像处理的操作，生成高精度的三维模型。湖口会馆无人机点云质量图如图3所示。

图3 无人机点云质量

（4）模型优化和设计：在完成三维模型的基础构建后，需要对其进行优化和设计。根据湖口会馆的实际情况，调整模型比例、增加细节，以获得更真实、更准确的建筑模型。湖口会馆三维模型预览图如图4所示。

图4 三维模型预览图

（5）绘制平面图：通过在三维模型中提取平面数据，绘制湖口会馆的平面图。湖口会馆测绘得到的屋顶平面图如图5所示。

4 结束语

无人机三维数字扫描技术是一种非常有效的历史建筑测绘方法，具有高精度、高效率、低成本等优点，在本次实践应用中精度达到毫米级，可以为历史建筑的保护与修复工作提供有力的支持。在工作实践中，该技术将得到更广泛的应用，并产生更多的应用价值。