基于倾斜摄影和三维激光扫描技术的历史建筑测绘

吴奇恒

（上海继拓土地规划设计勘测有限公司，上海 青浦 201700）

1 引言

历史建筑是城市记忆和文化的积淀，是城市不同发展阶段的缩影，当前，优秀历史建筑已成为展示城市形象和文化的重要名片。要想保护好优秀历史建筑，首先必须收集并建立历史建筑的结构、图案信息等档案数据。如何快速、准确、完整地获取这些档案数据，是当代测绘工作者必须思考和探索的问题。

传统历史建筑建档测绘主要采用全站仪、测距仪等常规测量方法采集数据，绘制平立剖面图，对于建筑的色彩、材质、纹理等信息，则拍摄数码照片并辅以文字说明的方式来建档。对于具有重要文化价值的典型纹理及图案信息，一般在数码相片上套绘出纹理和图案，缩放后置于对应平立剖面图上建档。这种方式效率低，无法快速、准确、完整反映历史建筑的关键结构、重要部位的细节图案、材质及纹理等信息。

倾斜摄影测量与三维激光扫描技术相结合的测绘方案，属于空地一体化的新型测量模式，可以快速、准确、完整地实现数据采集和成图，是当前测绘技术条件下可用于历史建筑测绘的有效手段。两种技术相结合所获取的历史建筑三维模型和激光点云数据，不仅能高效率生产高精度的平立剖面等图件，而且能详细、全面地记录历史建筑的风格与现状，可为历史建筑的保护和修缮提供可靠依据[1]。

2 倾斜摄影测量技术

2.1 倾斜摄影测量技术工作原理

倾斜摄影测量技术是利用无人机搭载单镜头或多镜头相机，从垂直和4 个侧向角度采集影像数据（作业方式如图1 所示），同时记录获取影像瞬间的POS数据，内业人员使用数据处理软件对影像进行处理后，可自动化重建实景三维模型。通用格式的实景三维模型可导入各类GIS 平台，有着丰富的专业化应用方向，既可为城市规划、建设项目设计提供三维数据支撑，也可为政府管理部门提供可视化、直观化的决策依据。无人机搭载的镜头可以获取至少两个已知航点上的、不同角度的地物影像，通过倾斜摄影测量数据处理软件对影像上的每个同名像点进行三角运算，可以得到地物点的三维空间坐标，首先由海量的地物点组成三维点云数据，生成密集三角网，再由密集三角网构成白膜，最后使用影像对白膜进行纹理映射，生成实景三维模型。

图1 倾斜摄影测量

2.2 技术特点

（1）高效率、生产成本低

倾斜摄影测量适合较大面积的地形、地物测绘，采用自动化建模技术，相比于传统的人工现场测量，具有更高的生产效率和更低的作业成本。

（2）高精度

合理的数据采集方法、规范布置像控点、无人机免像控技术能够使倾斜模型具有较高的精度，平面中误差可以控制在5cm 之内，高程中误差能控制在10cm之内。

（3）真实感

相比于传统的线划图和人工建模，倾斜模型能够完美还原现状地物的色彩、形状和细节，具有更高的真实感。

3 三维激光扫描技术

3.1 三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描技术又称实景复制技术，利用高速激光扫描测量方法，可大面积、高分辨率、快速获取历史建筑表面和内部各个点的三维坐标、反射率、色彩等数据信息，可快速重建1∶1 真彩色三维点云模型。三维激光扫描仪工作原理为激光发射器发出激光脉冲信号，经地物表面漫反射后，沿原路径传回接收器，可计算出目标点P与扫描仪的距离S，控制器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量的坐标系一般为仪器自定义坐标系，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，获取目标点P坐标的几何原理，如图2 所示。

图2 三维激光扫描仪获取目标点坐标原理

3.2 技术特点

三维激光扫描技术具有速度快、精度高、操作简便等特点。采用三维激光扫描仪对建筑物室内外进行扫描，无须接触，便能得到海量点云数据，直观且形象展现建筑物的立体模型。三维激光扫描技术目前已广泛应用于建筑测绘、建模、立面改造等领域，为历史建筑复杂的测量问题提供了全新的解决方案[2]。

4 应用实例

4.1 项目背景

本次实验以位于上海市青浦区朱家角古镇的仲宅为例，仲宅位于朱家角古镇历史风貌区南部胜利街民居群中，是“二埭二井一花园”的院落式民宅，由清末秀才仲乾清所建，堪称当时朱家角镇第一豪宅。近年来，由于房屋不断修缮，仲宅局部构件的布局和材质改动较大，急需快速、精准且完整地获取该建筑保护建档数据，为有关部门保护和修缮历史建筑提供直观、准确的数据资料。通过多种测绘方案的对比，最终确定采用倾斜摄影测量与三维激光扫描相结合的测绘技术方案，详细技术路线如图3 所示。

图3 技术路线

4.2 倾斜摄影数据采集与处理

位于上海市青浦区朱家角古镇的优秀历史建筑一共有7 处，而且分布相对比较集中。考虑到古镇面积不大（约1.5 km2），为了整体掌握古镇的建筑群形态和各优秀历史建筑的分布位置、周边建筑分布情况，需要对大范围的古镇区进行无人机倾斜摄影测量与三维建模。外业采用大疆M300RTK 无人机挂载赛尔102s V2 五镜头进行数据采集，通过适当降低航高（相对航高100m）、增大航向与旁向重叠度（航向85%、旁向80%）、降低航线速度、合理规划航线和设置航线外扩距离等方式，提高影像的采集质量，最终获得地面平均分辨率为1.6cm 的影像数据。内业进行数据处理时，考虑到地理信息数据的安全性和保密性原则，采用了国产单机版软件“大疆智图测绘版”进行实景三维模型重建。

考虑到古镇范围内建筑较为密集，各优秀历史建筑与相邻建筑的间隙较小，倾斜摄影测量时存在地物相互遮挡、固定相机角度下有摄影盲区的问题，对此，在具备飞行条件且保证安全的前提下，采用大疆精灵4RTK 无人机斜面航线规划功能对建筑立面等进行贴近摄影测量，以弥补倾斜摄影测量的不足。

通过对倾斜摄影航线与贴近航摄采集的影像数据进行融合建模，可以更清晰地呈现模型外立面细节，改善模型的扭曲变形，减少拉花现象，数据融合前后的效果如图4 所示。但这种方法往往需要在倾斜摄影航线与斜面规划航线之间加飞航线，且加飞航线时应保证相邻航线的影像地面分辨率（GSD）差不超过2 倍，如首飞倾斜摄影航线高度为100m 时，加飞航线与首飞倾斜摄影航线和贴近摄影航线的高差应不超过50m，否则会产生数据融合失败的现象。

图4 数据融合前后的效果

4.3 三维激光扫描仪数据的采集与处理

对于受限于贴近飞行条件、结构复杂的建筑物，采用三维激光扫描仪进行全方位扫描。在三维激光扫描之前，需要先踏勘现场，对历史建筑的总体情况、构件的材质和色彩属性、政府保护与修缮工作对数据的需求等进行总体把控。然后以倾斜摄影测量所用的控制网为基准开展扫描工作，以便于数据的融合处理。对于狭小空间等无架站条件的区域和位于架站式扫描盲区的区域，则辅以手持式三维激光扫描仪补充采集数据[3]。

外业数据采集完成后，内业需对点云数据进行预处理。点云数据预处理包括点云配准、点云去噪和点云抽稀等内容。点云配准是将不同视角下的点云数据进行拼接，获得建筑物完整的点云数据。点云去噪是将目标建筑物以外的点云数据去除。点云抽稀是按照一定规则，减少点云数量，提高点云数据处理效率［4］。经过点云配准、去噪、抽稀操作后，可得到直观、准确且数据量适中的三维点云数据。

4.4 数据融合处理

由无人机倾斜摄影与贴近摄影测量得到的点云模型缺少历史建筑的内部结构和屋檐下方部分构造及墙体数据，而三维激光扫描得到的点云模型则缺少部分历史建筑外立面及屋顶数据［5］。将两种点云模型进行融合，可实现优势结合、缺点互补，能完整、逼真反映并留存历史建筑的整体及细节现状，进一步减少、消除实景三维模型的拉花、变形和空洞现象。

融合建模的关键点是将无人机倾斜摄影和贴近摄影测量密集匹配过程中产生的点云模型与三维激光点云数据进行合并，同时作为三维模型几何结构的数据源，融合建模过程中应保证激光点云和倾斜摄影匹配点云密度基本一致，以保证较好的融合效果，为后续应用奠定良好基础。数据融合后的立面点云模型如图5 所示。

图5 数据融合后的立面点云模型

4.5 建筑图件的绘制

基于融合后的点云模型和实景三维模型可以方便、准确地绘制出历史建筑平立剖面及结构细节等图件。可绘制的图件主要包括总平面图、单体平面图、建筑立面图、建筑剖面图和细部大样图等。首先通过点云后处理软件将融合后的点云在不同视角进行裁切和切片处理，然后将点云切片TIF 数据导入AutoDesk CAD软件，按照法式测绘原则，参考实景三维模型，依次绘制历史建筑保护存档、改造设计所需的前述各类图件［1］。利用点云数据和实景三维模型数据绘制的一层平面图和建筑立面图如图6 所示。

图6 一层平面图

4.6 精度分析

为了检查历史建筑图件的绘制精度，在AutoDesk CAD 中量取建筑物某些门、窗、柱等特征部位的长度，再利用手持激光测距仪实际测量这些部位的长度，将量取长度值与实际测量的长度值进行比较，统计结果如表1所示。

表1 特征部位长度值对比

从表1 数据可以看出，特征部位的长度最大差值为0.011m，最小差值为0.003m，精度结果比较理想。

5 结束语

倾斜摄影测量与三维激光扫描技术在不接触历史建筑的条件下，能快速采集建筑表面和内部大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，并通过实景建模软件，快速复建建筑的三维模型及线、面、体等各种图件数据。这种方式在提供历史建筑准确平立剖面等存档图件基础上，增加了三维点云数据和实景三维模型数据，丰富了数据成果形式,可为有关单位保护、修缮和复原历史建筑提供翔实、准确的数据支撑，也为优秀历史建筑保护测绘工作提供了新思路。