集成激光掃描與無人機航攝的古建筑測圖技術研究*

周樂恒，劉偉鋅，王興平，王東水，歐建良

（1.福州大學土木工程學院，福建福州 350108；2.陽光學院土木工程學院，福建福州 350015；3.湖南維納空間信息技術有限公司，湖南長沙 410082）

我國歷史悠久，各種古建筑風格迥異、藝術價值高、分布地域廣泛，不同自然環(huán)境和不同氣候條件造就了各地古建筑獨有的特色。如何保護好各地傳統古建筑，對講好中國故事具有重大意義。近年來，國內掀起一股仿古熱潮，一些仿古小鎮(zhèn)的成功讓多地紛紛著手建設“人造古鎮(zhèn)”，但是不少仿古小鎮(zhèn)脫離本地特色，只是單純地對典型的中國古建筑進行復制照搬，缺少文化內涵，極容易引起游客的審美疲勞。以三維激光掃描與無人機傾斜航攝相結合空地一體化的測繪技術，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，用于古建筑的建模和工程圖紙的繪制，幫助建立古建筑的全息檔案，深入挖掘古建筑特色，為古建筑的保護和還原提供可靠支持。

本文以廣東省珠海市唐家灣鎮(zhèn)的會同古巷22號民居古建筑開展實例研究，分析說明本文所研究的空地一體集成測圖技術在古建筑保護中的可行性及優(yōu)勢。

1 技術方案研究

1.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術是20 世紀90 年代出現的一種非接觸的測量技術，具有高精度、高效率、高密度的特點。該技術的工作原理是：激光脈沖發(fā)射體發(fā)射激光脈沖，根據發(fā)射和其返回到儀器的時間差，計算出掃描點與儀器的距離，再根據脈沖激光的角度由三角函數關系得到掃描點在被測物體上的三維坐標[1-2]。工作前先踏勘場地，設計測站點，相鄰測站點按一定重疊率對目標物掃描，再對原始點云數據預處理，減小行人、車輛等影響，然后將不同測站點點云數據拼接轉換到同一坐標系中，從而實現三維模型構建。

三維激光掃描采集效率高，以豐富的數據實現對目標物體的直觀精確重現。與電子全站儀、攝影測量等技術相比，該技術在古建筑測繪工作中受外界環(huán)境影響更小，能實現古建筑重要構件及裝飾紋理的高精度還原，繪制高質量工程圖紙。

1.2 無人機傾斜航攝

傾斜航攝技術同樣是近些年來新興且發(fā)展迅速的測繪技術，在工程建設、國土監(jiān)察、土地規(guī)劃以及古建筑保護等領域被廣泛應用。通過在飛行平臺上搭載傳感器，從一個垂直和四個傾斜方向以獲取豐富的地面物體影像及其紋理，克服了垂直角度拍攝主要反應地物頂面特征而缺少側面信息帶來的局限性，改善了航攝建筑物時墻面變形等問題[3-4]。

進行無人機航攝工作前需要預先制定好航線，對無人機航向、旁向重疊度等進行設定，不合理的航線會對后期模型的精度造成影響。根據預先制定的航線飛行且搭載著傳感器的無人機，獲取傾斜影像并自動記錄相關參數，利用獲取的影像數據進行空中三角計算，獲取航空影像外方位元素，由影像匹配得到密集點云，幫助構成TIN網后映射紋理，生成三維傾斜模型[5]。

通過專門配套軟件，無人機傾斜航攝技術可以實現快速高效的建模，大大減少時間成本，減少高點測量的危險性。且無人機傾斜航攝的三維模型，可以直觀地表達出豐富且真實的屋頂信息，建筑外觀一目了然，其高精度的特點也使得三維模型可用于測圖輔助，解決傳統測繪技術難以測量的部分并實現完整制圖。

1.3 建模融合與切片制圖

模型數據能精確記錄空間位置信息，在古建筑修復或重建時用途非常廣泛。更重要的是，將數據傳輸入電腦建立的三維模型，利用Auto CAD 等軟件可以從任意視角對任意區(qū)域厚度進行裁剪，生成剖面切片進行制圖。基于模型的剖面切片，可以繪制出建筑物標準平面圖、立面圖、剖面圖、以及1∶20 甚至1∶1 結構大樣圖。高精度工程繪圖能更清楚的表現建筑物構件尺寸和位置關系，更好地解決傳統古建筑缺少基本資料的問題，在古建筑保護、修繕遇到問題時大有用武之地。

1.4 綜合技術路線設計

傳統測繪技術進行古建筑測繪時，花費大量的人力且有耗時長、不安全、易造成破壞等劣勢。當前無人機超低空厘米級航拍技術的成熟，使得三維激光掃描和無人機傾斜航攝在古建筑測圖保護中的綜合應用成為可能。實際工作中，按設計地面作業(yè)線路在建筑物室內外架設激光掃描儀掃描，以無人機按設計貼近繞飛線路做傾斜航攝，獲得外業(yè)數據后，再綜合處理生成三維模型。二維信息提取主要基于三維激光掃描的點云模型進行繪制的剖面圖、平面圖、立面圖、大樣圖，無人機傾斜模型進行測圖輔助，在室內結構受地物遮擋影響較大、建筑特征與表面狀況不一致時實地檢查。技術流程如圖1所示。

圖1 綜合技術流程圖Fig.1 Flow chart of comprehensive technology

集成激光掃描和無人機航攝可以優(yōu)勢互補：（1）以無人機傾斜航攝實現高精度快速大面積測繪，同時解決地面三維激光掃描中屋頂數據缺失的不足；（2）遇到間距小密度大的建筑群，激光掃描點云模型和無人機傾斜模型結合可改善單純傾斜模型中屋檐部分數據少質量差的問題[6]；（3）三維激光可對建筑內部裝飾及重要構件掃描并獲得精確數據，克服室內光線不足、難以有效航攝等局限性。

1.5 集成技術應用分析

融合激光掃描與傾斜航攝空地一體建模測圖，可在以下幾方面用于古建筑保護。

第一，以三維模型和建筑工程圖真實還原古建筑現狀、各關鍵構件尺寸與空間分布。如果是缺乏原始設計資料古建筑，本技術成果可以為深挖地方特色、保存古建筑特點提供客觀依據。

第二，基于三維激光掃描與無人機傾斜航攝生成的數字三維模型，是古建筑全息檔案構建的基礎，能真實直觀表現古建筑的空間幾何結構特征，從而以數據共享方式進行宣傳展示，推動中華文化走向世界、各地特色廣為人知。

第三，助推建筑業(yè)綠色低碳轉型，實現特色保護與精準開發(fā)并重。以往在“特色古鎮(zhèn)、美麗鄉(xiāng)村”等開發(fā)建設時所采用的大拆大建方式，不但投入經費巨大且不利于環(huán)境保護。以本技術提供高精度三維模型及工程圖紙為基礎，可以“修舊如舊”精準維護翻新、減少不必要拆除破壞、降低施工成本難度，避免仿古重建。

2 試驗檢驗分析

2.1 試驗簡介

古建筑會同古巷22 號位于廣東省珠海市唐家灣鎮(zhèn)西南會同村，始建于1732 年，有著典型的嶺南傳統式建筑風格，是珠海地區(qū)保存最完整的近代村莊，保留有百年前的建筑樣貌和精美的石雕裝飾，有很高的藝術價值和保護意義。

該古建筑地面積約470 m2，為嶺南傳統民居。課題組采用三維激光掃描與無人機傾斜航攝相結合的空地一體技術，建立古建筑數字化模型，繪制剖面圖、平面圖、立面圖、大樣圖，以解決傳統古建筑基礎資料缺失不利于保護修復等問題，為古建筑演變發(fā)展、藝術研究等內涵挖掘之類的后期工作創(chuàng)造條件。本次試驗主要設備包括法如（FARO）S350 和大疆PHANTOM 4 RTK，相關參數如表1、表2所示。

表1 法如（FARO）S350設備參數Table 1 Equipment parameters of FARO S350

表2 大疆PHANTOM 4 RTK的相機參數Table 2 Camera parameters of PHANTOM 4 RTK

2.2 古建筑室內外綜合建模測圖展示

試驗對象周邊建筑物與樹木密集，并存在自建夾層等復雜結構，用激光掃描儀地面作業(yè)，屋頂出現較明顯掃描盲區(qū)，如圖2 所示。從圖3 所示傾斜模型與點云數據對比可知：相關點云數據缺失而無法精確體現古建筑屋頂正脊、垂脊等構造特征（圖3a）；無人機傾斜航攝的屋頂模型，構件樣式和紋理清晰可辨，但古建筑屋檐下的部分數據質量差(圖3b)。此外，密集排列古建筑側面有門檐窗檐裝飾，這些在傾斜模型中缺失較多，因而需兩種模式結合才能完整測圖。

圖2古建筑點云數據Fig.2 Point cloud data of ancient building

圖3 傾斜模型與點云數據的屋頂對比Fig.3 Roof comparison between oblique model and point cloud data

課題組以激光掃描的點云數據為基礎進行剖面圖和室內結構大樣圖繪制，而古建筑內部石雕、鏤空等較精細部分借助實景數據，用Adobe Photoshop 調整尺寸貼合激光點云輔助繪圖。該古建筑梁架模型切片和繪制大樣圖示例見圖4。

2.3 精度分析

為檢驗激光掃描三維點云與無人機航攝傾斜模型融合質量，課題組選擇了在兩種試驗數據中若干典型同名部位進行測量比對，其結果如表3所示。

實驗對象均是建筑典型部位，其中最大差絕對值6.1 cm（主屋屋面長度），最小差絕對值0.2 cm（正門門寬），平均差值為2.3 cm。建筑物平面圖、立面圖、剖面圖及大樣圖等土木工程專業(yè)成果中尺寸標注，一般都是精確到0.1 m。因此，本文研究提出的亞厘米級激光點云數據與厘米級無人機傾斜航攝建模相結合，可有效解決古建筑室內外綜合建模與工程制圖等應用需求。

表3三維激光點云模型與無人機傾斜模型對比Table 3 Comparison between 3D laser point cloud model and UAV oblique model

圖4 建筑梁架Fig.4 Building beam frame

3 總結展望

本文提出將三維激光掃描與無人機傾斜航攝綜合運用于古建筑保護測量，可以實現較高三維精度和細節(jié)完整表現能力，提高工作效率的同時做到安全可靠。以會同古巷22號古建筑為例，實現三維點云數據為主、無人機傾斜模型輔助的方式完成古建筑保護所需平面圖立面圖剖面圖及大樣圖測制，為挖掘古建筑特色、相應全息檔案構建打下基礎。

當前，城鄉(xiāng)發(fā)展進入高質量建設更新的新階段，正在由大拆大建轉為存量提質改造和增量結構調整為主，本文提出的三維激光掃描與無人機傾斜航攝也可以為高質量鄉(xiāng)村振興、城市老舊小區(qū)提質改造提供高質量基礎數據，而如何在密集建筑與樹木遮擋環(huán)境下，高質量快速繪制建筑物立面及復雜檐下構件還需要更多研究實驗。