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基于三維實(shí)景建模技術(shù)的古建筑測繪

    作為世界文明古國,先輩們以勤勞和智慧為我們后輩子孫留下了大量珍貴的古建筑,這些包含重要?dú)v史信息的建筑遺產(chǎn)不僅僅是遮風(fēng)擋雨的住所,還傳承著不同民族、不同地域、不同信仰的精神與智慧,蘊(yùn)含著深厚的歷史價(jià)值、人文價(jià)值和科研價(jià)值。


    然而,古建筑自落成之日起就開始承受不同程度的侵蝕和破壞。自然環(huán)境中長期的風(fēng)霜雨雪、雷電冰雹,會(huì)不斷腐蝕和氧化建筑及其構(gòu)件的外表面;地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞房屋結(jié)構(gòu)。歷史長河中的眾多戰(zhàn)爭、火災(zāi)、人口遷徙、城市化進(jìn)程、過度開發(fā)等等人為因素也造成了眾多文物古跡的滅失。根據(jù)全國第三次文物普查的相關(guān)數(shù)據(jù)表明,不可移動(dòng)文物在幾十年間已經(jīng)消失了四萬四千多處,平均每年至少滅失2000余處。


    在古建筑、古民居、古村落不斷消失的今天,對建筑布局、建筑形制、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件尺寸的全面測繪是保護(hù)和傳承建筑技術(shù)、工藝和價(jià)值的最基本、最有效的手段和方法。測繪可以獲得古建筑的具體數(shù)據(jù)和相關(guān)信息,也是文物保護(hù)工作的最基本環(huán)節(jié)。

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古建筑測繪的現(xiàn)狀

    我國古建筑測繪的方法部分還停滯在比較傳統(tǒng)的手工測繪階段,此類測繪依賴測繪人員具有一定程度的建筑學(xué)綜合素養(yǎng),熟悉測繪對象的相關(guān)形式歷史、結(jié)構(gòu)、特征及其構(gòu)造知識(shí);同時(shí)接觸式的手工測繪可能會(huì)對歷史建筑造成不可逆的損害。因此,大大降低了古建筑測繪的效率。


    目前,國內(nèi)外應(yīng)用于古建筑測繪的先進(jìn)儀器有:全站儀、三維激光掃描儀等高精度硬件設(shè)備,這些設(shè)備利用激光反饋的特性直接獲取空間及物體信息,精度高且不需要接觸文物古跡,但缺點(diǎn)是造價(jià)高昂,便攜性差,后期處理繁瑣,處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺乏古建筑必要的紋理特征。


傳統(tǒng)測繪與現(xiàn)代測繪優(yōu)缺點(diǎn)對比

傳統(tǒng)測繪

優(yōu)點(diǎn):無設(shè)備投入要求

缺點(diǎn):精度低、效率低、人力、物力成本高,容易對文物造成破壞

現(xiàn)代測繪

優(yōu)點(diǎn):高精度,高效率,低成本,測繪成果包含紋理特征,不接觸文物本體

缺點(diǎn):設(shè)備造價(jià)較高,后期處理繁瑣

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基于影像的三維實(shí)景建模古建筑測繪

    與傳統(tǒng)測繪做法相比,基于圖像采集的三維實(shí)景建模技術(shù)的優(yōu)勢在于:不接觸對象本體,測繪設(shè)備造價(jià)低,后期處理簡便且包含古建筑不同部位的相關(guān)紋理信息,精度能夠滿足建筑測繪等等特點(diǎn)。其基本原理是通過拍攝多張連續(xù)的空中、地面數(shù)碼圖像,結(jié)合空間坐標(biāo)信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)空三處理和建模,最終形成可視化或可編輯的三維實(shí)景模型。

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    2018年3月我課題組調(diào)研了內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)某古鎮(zhèn),其間對古鎮(zhèn)內(nèi)3處即將進(jìn)行大修改造的民居院落進(jìn)行了三維實(shí)景建模。平均每個(gè)院落測繪面積為700余平方米,測繪設(shè)備包含:大疆Phantom3 Professional無人機(jī)、Canon EOS 60D數(shù)碼單反相機(jī)和國產(chǎn)RTK設(shè)備。

    在數(shù)據(jù)采集中,利用空中圖像采集和地面圖像采集相結(jié)合的方法,為每個(gè)歷史院落空中采集300-500張攜帶POS坐標(biāo)信息的數(shù)碼相片,地面采集200-300張數(shù)碼相片。利用RTK設(shè)備為每個(gè)院落四周做4-8個(gè)控制點(diǎn)。

    隨后將圖像數(shù)據(jù)、POS坐標(biāo)信息和控制點(diǎn)信息全部導(dǎo)入ContextCapture軟件進(jìn)行空三預(yù)處理和實(shí)景模型的搭建,在修改初期成果和分幅修飾后,最終形成1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)院落的三維立體模型成果。 

    對于古建筑而言,由于建筑學(xué)所要求的圖紙繪制重點(diǎn)和難點(diǎn)分別是建筑總平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖以及建筑節(jié)點(diǎn)大樣圖。因此,內(nèi)業(yè)部分如能完成上述圖紙內(nèi)容即可完成測繪的大部分工作。下面將結(jié)合具體案例,以流程圖為參照,從以下三個(gè)方面介紹三維實(shí)景建模在相應(yīng)測繪圖中的應(yīng)用。

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三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制建筑群總平面圖中的應(yīng)用


    古建筑群的總平面圖能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)出各單體建筑之間的間距和相對位置信息,使其總體布局和環(huán)境一目了然。利用三維實(shí)景建模技術(shù),可快速獲得相對精確的總平面信息,包括區(qū)域內(nèi)外建筑的相對位置關(guān)系、道路信息、周邊環(huán)境信息及其對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)、距離、面積和體積信息,如圖所示,陰影部分反映了院落總平面的測繪面積。 

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    經(jīng)三維實(shí)景建模軟件處理,其成果可導(dǎo)出攜帶POS信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并與CAD軟件對接,從而繪制古建筑群相對精確的CAD總平面圖,測繪及修繕圖。因此,以往以小板手繪措施,結(jié)合測距儀、經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀的讀數(shù)的總平面測繪方法,可以完全被三維實(shí)景建模方式取代。 

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三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制古建筑立面圖中的應(yīng)用


    古建筑的立面圖包括其單體的正立面、背立面和兩個(gè)側(cè)立面。以往的建筑學(xué)測繪,經(jīng)常采用竹竿和皮卷尺、鉛垂球來測量建筑高度,近些年借助激光測距儀和三維激光掃描儀來進(jìn)行古建筑立面測繪。這些測繪方式的優(yōu)勢和弊端在前文中已提及,這里就不再多贅述。

    而采用三維實(shí)景建模技術(shù)可基本解決上述弊端,即利用無人機(jī)傾斜攝影的方式測繪古建筑檐口以上的立面信息,利用地面影像數(shù)據(jù)測繪檐口以內(nèi)的立面信息,同時(shí)結(jié)合像素控制點(diǎn)和RTK控制點(diǎn)促使立面測繪達(dá)到建筑學(xué)測繪精度。如圖所示,將院落三維測繪成果導(dǎo)入ContextCapture Editor或Bentley的其他軟件中,剖切院落的西廂房的正立面可得到如下影像結(jié)果。 

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    如需形成CAD立面圖紙或修繕圖紙,可借助點(diǎn)云工具或光柵化立面圖像信息,在CAD中重新繪制即可,修繕正立面圖和背立面圖。


三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制古建筑節(jié)點(diǎn)大樣圖中的應(yīng)用

    古建筑的節(jié)點(diǎn)大樣圖包含了類似磚雕、脊飾、斗拱等不同位置的大樣。此類構(gòu)件的線條、圖案較為復(fù)雜,因而節(jié)點(diǎn)大樣圖往往是古建筑測繪中最耗時(shí)、難度最大的。采用三維實(shí)景建模技術(shù),可真實(shí)還原建筑物重要節(jié)點(diǎn)的樣式信息、尺寸信息和材質(zhì)信息,亦可作為數(shù)字化三維檔案留存。利用空中、地面結(jié)合的三維實(shí)景建模技術(shù),可真實(shí)反映了古建筑的斗拱樣式、彩畫風(fēng)格和材質(zhì)信息,這些數(shù)字化檔案亦可導(dǎo)入Autodesk或Bentley相關(guān)軟件進(jìn)行矢量化處理。

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景建模技術(shù)在古建筑測繪中的弊端

    雖然采用空中、地面影像相結(jié)合的實(shí)景建模技術(shù)可以替代建筑學(xué)測繪中的總平面測繪、立面測繪和部分節(jié)點(diǎn)測繪。但其技術(shù)應(yīng)用于古建筑測繪也存在很多弊端,在某些自然因素或人文因素的干擾下,無法實(shí)現(xiàn)古建筑測繪的全部要求。例如:

古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實(shí)景數(shù)碼影像較難獲取

    由于我國傳統(tǒng)古建筑采光的特殊性,室內(nèi)光源很難達(dá)到數(shù)碼相機(jī)的拍攝要求,室內(nèi)梁架結(jié)構(gòu)更是隱藏在屋頂天花之上,致使古建筑的各層平面圖和剖面圖無法通過數(shù)碼設(shè)備提取實(shí)景模型數(shù)據(jù)。因此,古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實(shí)景數(shù)碼影像現(xiàn)階段很難獲取。目前,提取室內(nèi)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然需要依靠三維激光掃描儀。課題組通過便攜式SLAM(Simultaneous Localization and Mapping即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù))三維激光掃描儀對烏蘭察布地區(qū)某歷史建筑的室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描,形成了較為清晰的建筑平面、剖面點(diǎn)云映射圖,雖然可以進(jìn)行尺寸測量,但卻無法顯示其間的紋理材質(zhì)。

 

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對于周邊樹木較多的古建筑群,較難提取建筑的立面信息

    在我國,尤其是南部地區(qū),很多歷史建筑被周邊茂密的林木所掩蓋,建筑立面也隨之掩蓋在濃密的枝葉當(dāng)中,這就導(dǎo)致實(shí)景立面模型無法通過無人機(jī)傾斜攝影來提取。同樣,三維激光掃描儀亦難已完成此類工作。目前,在古建筑群緊湊或周邊林木較多的區(qū)域,建筑立面圖仍需要手工測繪才能完成。

通過單一的數(shù)碼影像建模方式無法獲取高精度的節(jié)點(diǎn)模型

    利用像素點(diǎn)云構(gòu)建的實(shí)景模型十分依賴相機(jī)的故有像素,同時(shí)也容易受到環(huán)境光線、粉塵的直接影響。因此,古建筑的部分節(jié)點(diǎn)無法通過數(shù)碼相機(jī)建立超高精度實(shí)景模型,還需要依賴不需要環(huán)境光源的三維激光掃描儀來共同實(shí)現(xiàn)。如圖,敦煌莫高窟覆斗形殿堂式小型窟中的塑像,通過高精度的三維激光掃描儀建立幾何信息,再疊加數(shù)碼相機(jī)采集的紋理信息,形成了栩栩如生的高精度三維實(shí)景模型。


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