Agisoft Photoscan在歷史建筑保護(hù)中的創(chuàng)新應(yīng)用和研究
——以四川崇州市街子古鎮(zhèn)字庫塔為例

劉紅英，楊春龍，馬利亞

(西華大學(xué)鄉(xiāng)土建筑工作室，四川 成都 610039)

0 引言

建筑是時代的符號，也是一種文化的積淀，人類用自己的血汗和智慧創(chuàng)造了輝煌的古代建筑文明。中國古建筑是世界上歷史最悠久、體系最完整的建筑體系，中國歷史建筑的發(fā)展在一定程度代表了中國傳統(tǒng)文化的發(fā)展，是中國傳統(tǒng)文化的沉淀精粹，也是文化發(fā)展的見證者。隨著中國城市化的發(fā)展，城市歷史的痕跡慢慢磨滅，保護(hù)這些歷史建筑也成為了一件刻不容緩的事情。Photoscan照片建模技術(shù)利用快速的照片建模手段能快速全方位地建立虛擬的建筑三維模型，可以提供更多的建筑細(xì)節(jié)信息。

1 傳統(tǒng)建筑保護(hù)與測繪技術(shù)

中國歷史建筑與中國的歷史一樣深遠(yuǎn)，可考證的實(shí)物至少有7 000年的歷史，在燦爛的中華文明中，涌現(xiàn)了許多著名的優(yōu)秀建筑。這些歷史建筑被貼上時代的標(biāo)簽，大多數(shù)隨著朝代的沉浮，湮滅于歷史的風(fēng)沙，遺留下來的有研究價值的歷史建筑少之又少。這些歷史建筑在近代的100年里由于戰(zhàn)亂、政治變革、經(jīng)濟(jì)原因等客觀條件，以及人們對歷史建筑的價值缺乏廣泛的認(rèn)識，導(dǎo)致了歷史建筑受到大面積嚴(yán)重的破壞，以至于當(dāng)回過頭想對其采取措施對其加以維護(hù)時往往為時過晚。因此，中國現(xiàn)代歷史建筑保護(hù)工作是一項(xiàng)緊迫艱巨的任務(wù)，所面臨的難題除了拯救建筑物的行為本身，還牽扯到諸如社會因素、公眾意識和資金籌備等多方面的因素。

傳統(tǒng)建筑的保護(hù)與修復(fù)是建立在擁有完整的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，因此通過測繪去保存建筑的原始數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)建筑保護(hù)中重要的一環(huán)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的測繪技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們數(shù)據(jù)記錄的需求。古代傳統(tǒng)測繪技術(shù)在歷史建筑的測繪方面一般需要有建筑物的真實(shí)尺寸各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件和各組成部分的實(shí)際尺寸整體與各組成部分的真實(shí)比例關(guān)系等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。這些數(shù)據(jù)記錄手段無法再現(xiàn)歷史建筑的原始狀態(tài)，這樣就造成了一些三維數(shù)據(jù)的丟失。傳統(tǒng)測繪技術(shù)耗費(fèi)時間長、人工成本高、容易出現(xiàn)細(xì)節(jié)紕漏，Photoscan照片建模技術(shù)正好可以克服這些缺點(diǎn)。

2 Photoscan與無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢

當(dāng)今數(shù)據(jù)化時代，利用三維建模技術(shù)對歷史建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)化儲存已經(jīng)成為了可能，但傳統(tǒng)建模方法因?yàn)楦甙旱脑O(shè)備費(fèi)用和復(fù)雜的操作方法并不適合在測繪現(xiàn)場使用。所以人們需要能快速建立并儲存三維圖形的三維建模技術(shù)，Photoscan便符合這個條件。

Photoscan三維建模有很大的優(yōu)點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下4個方面。

1)節(jié)省時間減少工作量。

2)對測量人員的專業(yè)性要求不高。只需懂得簡單的拍攝技巧以及后期電腦處理步驟，不需要多強(qiáng)的建模能力。

3)能對各種形狀、狀態(tài)和尺寸的建筑進(jìn)行快速建模。

4)不需要昂貴的專業(yè)的輔助建模機(jī)器，一般情況下只需要普通的數(shù)碼相機(jī)配合三腳架使用就可以，減少前期測量的投資成本。

無人機(jī)技術(shù)加入使photoscan照片建模技術(shù)更是如虎添翼，為古建筑保護(hù)人員全方位、角度觀察認(rèn)知和分析古建筑提供可能，同時也能最大限度地保存古建筑周圍的環(huán)境資料。利用無人機(jī)測繪人員還可以到達(dá)古建筑中人難以到達(dá)的地方進(jìn)行拍照測繪，可以真實(shí)地記錄大量的保存測繪時的原始信息，更完整地去展現(xiàn)古建筑的整體情況。

3 無人機(jī)和Photoscan技術(shù)在歷史建筑保護(hù)中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于四川省崇州市街子古鎮(zhèn)，字庫塔建于清道光年間，用石條、石墩和青磚建成。塔高15 m。塔呈六方體形，分5層，最上面的4層外墻刻有“白蛇傳”等壁畫。四川崇州市街子古鎮(zhèn)字庫塔至今保存完好，成為古鎮(zhèn)的一道景觀(見圖1)。

圖1 四川崇州市街子古鎮(zhèn)字庫塔鳥瞰圖

3.2 Photoscan在歷史建筑保護(hù)中的實(shí)際操作與應(yīng)用

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高的歷史建筑進(jìn)行測繪時，傳統(tǒng)人工測繪方式不僅耗費(fèi)大量的人力、財力和時間，效果也往往不是很理想，而三維建模技術(shù)的出現(xiàn)大大解決了這個問題。下面以四川崇州市街子古鎮(zhèn)字庫塔項(xiàng)目為例進(jìn)行具體的操作。

1)獲取圖像：為了后期得到的模型效果更好，在拍攝照片的時候盡量選擇分辨率較高的相機(jī)進(jìn)行拍攝，拍攝的圖片與相鄰的圖片要保證至少60%的重合率，方便后期軟件的識別處理。

2)導(dǎo)入圖像：首先打開Photoscan軟件，在左側(cè)工作區(qū)點(diǎn)擊“添加堆塊” “添加堆塊”相當(dāng)于新建了一個項(xiàng)目。再點(diǎn)擊右上角菜單欄“工作流程”-“添加照片”-選擇要進(jìn)行拼接的照片。

3)照片對齊(見圖2)：點(diǎn)擊“工作流程”-“對齊照片”-精度選擇“高”-成對預(yù)選選擇“通用”-點(diǎn)擊“確認(rèn)”，軟件會根據(jù)航片坐標(biāo)，高程信息，相似度自動排列照片。在這個階段Photoscan搜索有關(guān)照片和匹配他們的共同點(diǎn)，以及它發(fā)現(xiàn)每個畫面的攝像機(jī)的位置和改進(jìn)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)。最后形成一個稀疏的點(diǎn)云和一組相機(jī)位置。

4)生成密集點(diǎn)云(見圖3)：點(diǎn)擊“工作流程”-“建立密集點(diǎn)云”-根據(jù)需要選擇質(zhì)量，質(zhì)量越高，耗時越長，當(dāng)然最后的成像效果也就越好。密集點(diǎn)云的建立，它是基于估計攝像機(jī)的位置和圖片本身來建立密集的點(diǎn)云。密集的點(diǎn)云可以被編輯和分類，然后可以被導(dǎo)出或者進(jìn)一步生成3d網(wǎng)格模型。

圖2 照片對齊

圖3 密集點(diǎn)云圖

5)生成網(wǎng)格(見圖4)：點(diǎn)擊“工作流程”-“生成網(wǎng)格”，表面模型選擇“任意”，源數(shù)據(jù)選擇“密集點(diǎn)云”，面數(shù)根據(jù)成像質(zhì)量選擇，本項(xiàng)目選擇為“高”。Photoscan基于密集的點(diǎn)云重建三維多邊形網(wǎng)格來表示物體表面。另外它有一個方法僅僅基于稀疏點(diǎn)云的點(diǎn)云可以生成快速幾何圖形。建立網(wǎng)格后，可能根據(jù)一些需要對其進(jìn)行編輯。

圖4 網(wǎng)格圖

6)生成紋理(見圖5)：點(diǎn)擊“工作流程”-“生成紋理”，映射模式選擇“正射影像”，混合模式選擇“鑲嵌”，紋理大小選擇“4096”。 紋理指的是三維模型的表面貼圖， Photoscan不僅能夠重建出模型，還可以將紋理信息轉(zhuǎn)換成二維圖像，配合重建模型輸出到常用三維軟件。

圖5 紋理圖

Photoscan的信息模型不僅是一個建筑建造模型信息，同時也可以對資源信息的整合提供更加高效的技術(shù)手段，為歷史建筑的信息進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)語

照片建模技術(shù)出來之后解決了許多的測繪難題，為數(shù)據(jù)信息的搜集提供了更簡便的方式，其建模效果展示也十分全面，豐富了數(shù)據(jù)信息庫，在建筑基因的保存上功勞卓著。與航拍技術(shù)結(jié)合，制作出歷史建筑高精度真實(shí)三維圖形，能解決傳統(tǒng)拍攝技術(shù)所不能展現(xiàn)整體情況的問題。隨著照片建模技術(shù)的不斷發(fā)展，鑒于其對數(shù)據(jù)采集的高效性、簡便的操作性以及快速建立歷史建筑三維數(shù)據(jù)模型的能力，在歷史建筑保護(hù)與更新中將有巨大的應(yīng)用前景。