基于多源數(shù)據(jù)的古建筑三維精細(xì)化重建

摘 要：測量技術(shù)、空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等多項(xiàng)測繪技術(shù)的更新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)物理世界的三維可視化建模。相較于二維，三維呈現(xiàn)更具直觀真實(shí)且精確的空間位置優(yōu)勢。而將三維可視化建模應(yīng)用于風(fēng)化侵蝕嚴(yán)重的古建筑，可以保存古建筑文化遺產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)古建筑三維精細(xì)化重建，并切實(shí)儲存精準(zhǔn)且詳細(xì)的外形數(shù)據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于多種先進(jìn)的掃描與測量技術(shù)實(shí)時(shí)獲取的多源數(shù)據(jù)融合，針對西安小雁塔進(jìn)行了三維模型精細(xì)化重建分析。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù)；古建筑；小雁塔；三維建模；精細(xì)化

1 前言

古建筑作為我國獨(dú)特文化信息傳輸載體，充分反映著所處地區(qū)或區(qū)域既定時(shí)期的思想文化與風(fēng)俗民情，是蘊(yùn)含豐富地域文化底蘊(yùn)的藝術(shù)瑰寶，同時(shí)還充分反映著人類歷史文明的演進(jìn)，因此傳承保護(hù)古建筑文化遺產(chǎn)勢在必行。作為我國著名歷史古城，西安的歷史文化底蘊(yùn)深厚且悠久，而大雁塔與小雁塔等古建筑文化更是我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的瑰寶與資產(chǎn)。古建筑是建筑文化的典型代表，集成了宮殿與寺廟等多樣形制，是保護(hù)與傳承的主要對象。而隨著科技發(fā)展，數(shù)字化模型的構(gòu)建為古建筑保護(hù)提供了新渠道，既能夠保護(hù)古建筑而避免干擾實(shí)體，又能夠以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)古建筑無法觸碰的精細(xì)之處，還能夠面向人們推廣古代思想文化與歷史內(nèi)涵以推廣精神文化。

近幾年，古建筑測量已經(jīng)逐漸趨向于三維，三維重建是建筑測量的前提條件。隨著測量測繪地理信息技術(shù)的高速更新與發(fā)展，激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)早已完全融入古建筑三維重建。古建筑以結(jié)構(gòu)獨(dú)特與地形復(fù)雜為鮮明特征，單獨(dú)使用技術(shù)難以精細(xì)化重建。其中激光掃描技術(shù)具備非接觸性與高效精準(zhǔn)等特征，可以迅速獲得古建筑三維坐標(biāo)，但是對于空間較為狹小且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的區(qū)域相對受限；近景攝影測量可以高重疊率與分辨率影像對細(xì)小且復(fù)雜的建筑組件進(jìn)行精細(xì)化三維重建，但是對于大面積建筑群重建卻明顯受限；傾斜攝影測量可實(shí)時(shí)獲取古建筑多角度紋理影像，且頂部區(qū)域的模型結(jié)構(gòu)精細(xì)且紋理真實(shí)清晰，然而弱紋理或盲區(qū)區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)卻很容易發(fā)生扭曲與拉花現(xiàn)象，因此古建筑重建效果并不理想。對此，可以激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)等一系列高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，以多種技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，以全野外測量為空間基準(zhǔn)，提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征點(diǎn)并統(tǒng)一坐標(biāo)，以三維重建整個(gè)場景并精b1c528292679b53acb3f0f6ee6cf8898細(xì)化重建細(xì)微場景，而古建筑色彩固化或單一的組件則采取空地一體單體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)局部重建。

2基于多源數(shù)據(jù)融合的古建筑三維重建流程

建筑要素是三維重建的重難點(diǎn)，尤其是古建筑結(jié)構(gòu)三維重建。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化重建目標(biāo)，前端有機(jī)結(jié)合多元化數(shù)據(jù)采集方式，以獲取各種尺度幾何與紋理信息，而后端則以近景、傾斜、點(diǎn)云等多源測量數(shù)據(jù)融合。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，以后差分解算傾斜攝影數(shù)據(jù)，基于航帶拼接、去噪、平滑、匹配等處理實(shí)現(xiàn)機(jī)載與點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。添加控制點(diǎn)通過重建大師軟件空三結(jié)算傾斜數(shù)據(jù)，以幾何校正與區(qū)域網(wǎng)平差等，然后添加預(yù)處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)與軌跡線文件而匹配融合處理，從而實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化重建以生成古建筑三維模型。整個(gè)重建流程具體如圖1所示。

3基于多源數(shù)據(jù)融合的古建筑三維重建方法

3.1獲取多源數(shù)據(jù)

所謂三維重建方法即以三維激光掃描儀為載體獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以近景攝影測量為輔助獲取數(shù)字影像信息?；谌S激光掃描電源數(shù)據(jù)的古建筑重建本質(zhì)而言是通過發(fā)射與接收激光束實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精確高且數(shù)據(jù)源十分復(fù)雜；基于數(shù)字影像的古建筑重建本質(zhì)而553b02a110a8532374a6b5a1bf4f3ed2言是匹配古建筑不同數(shù)字圖像的同名點(diǎn)以交叉獲取空間點(diǎn)真實(shí)的三維坐標(biāo)，易操作且效果美觀。西安小雁塔作為古塔，身高對于觀測視角存在一定局限性，單純以三維激光掃描技術(shù)極易造成盲區(qū)存在，而近景攝影測量技術(shù)則會致使建模表面精確度下降，對此有機(jī)結(jié)合攝影測量數(shù)據(jù)能夠在一定程度上彌補(bǔ)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所存在的缺陷。為了精細(xì)化還原西安小雁塔真實(shí)的空間場景，需通過三維激光掃描技術(shù)、無人機(jī)近景攝影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)相結(jié)合以獲取多源數(shù)據(jù)。

西安小雁塔作為空間比較復(fù)雜的古建筑，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描與獲取不僅量大且掃描周期較長，所以掃描之前需進(jìn)行實(shí)地勘察以設(shè)計(jì)可行且合理的掃描策略。掃描獲取數(shù)據(jù)之后還需進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理以獲取古建筑三維建模所需數(shù)據(jù)。三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取流程具體如圖2所示。

3.2重建三維模型

三維場景重建具體包含西安小雁塔自身及其所存儲環(huán)境模型的構(gòu)建。首先針對小雁塔建筑自身和四周環(huán)境的復(fù)雜度、覆蓋范圍，以小雁塔場景重要程度和精確度相關(guān)要求，進(jìn)行分類建模。具體即小雁塔內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)、紋理的精細(xì)展示模型；塔頂、塔身與地面形狀紋理的精細(xì)化模型。

Geo magic Studio基于數(shù)學(xué)模型和曲面構(gòu)造原理以給定強(qiáng)有力的曲線提取與編輯功能；Sketch Up以易操作與強(qiáng)功能而快速且簡易構(gòu)建、顯示與編輯三維模型；Photo Scan以高分辨率正射影像實(shí)時(shí)獲取小雁塔的色彩紋理以自動(dòng)化生成三維模型。據(jù)此分別以Geo magic Studio、Photo Scan、Sketch Up建模軟件對小雁塔內(nèi)部、外表面、場景進(jìn)行三維建模。

數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)主要結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影響數(shù)據(jù)與控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)模型精準(zhǔn)重組。模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于針對不同部位精度分類建模，而環(huán)境模型則由數(shù)據(jù)測量尺度進(jìn)行手動(dòng)重建?；赥IN模型方式拼接組合模型以生成小雁塔三維精細(xì)化模型。

3.3實(shí)例分析

陜西省西安市小雁塔始建于唐朝，與大雁塔齊名，同為唐長安城的象征性標(biāo)志。小雁塔與薦福寺的古鐘皆為關(guān)中八景之一，并稱為雁塔晨鐘，是西安市博物院的重要構(gòu)成部分。小雁塔呈現(xiàn)為方形密檐式磚塔形態(tài)，是典型的代表性作品，原15層而今只存13層，高達(dá)43.3m，整個(gè)塔形秀麗壯觀，獨(dú)樹一幟，是唐代佛教建筑藝術(shù)遺產(chǎn)，同時(shí)也是佛教進(jìn)入中原且融入漢族文化體系的標(biāo)志。小雁塔具體如圖3所示。

由于小雁塔有所傾斜變形，因此為保護(hù)古建筑文物，以保證后期發(fā)生意外損壞的時(shí)候能夠及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。需對小雁塔的傾斜變形狀態(tài)相關(guān)歷史遺跡數(shù)據(jù)進(jìn)行全面充分監(jiān)測，以確保數(shù)據(jù)完整且真實(shí)，這對于基于多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行古建筑小雁塔三維精細(xì)化重建具有不可小覷的現(xiàn)實(shí)意義。以三維激光掃描技術(shù)采集小雁塔內(nèi)外幾何數(shù)據(jù)，同時(shí)利用無人機(jī)拍攝低空狀態(tài)小雁塔以輔助彌補(bǔ)所缺失的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于所獲取立面照片有序生成小雁塔相對應(yīng)的三維彩色模型?；谛⊙闼螤钆c周圍環(huán)境狀況合理布置導(dǎo)線控制網(wǎng)與高程控制網(wǎng)，以此為三維激光掃描提供可靠基準(zhǔn)。并且于小雁塔的塔身針對性安裝反射片，以此作為攝影測量模型的定向控制點(diǎn)。受障礙物與光線遮擋，一測站通常不能獲取相對完整的數(shù)據(jù)信息，需多視角掃描小雁塔。就小雁塔自身與周圍環(huán)境狀況站點(diǎn)應(yīng)距離小雁塔約50m，并選擇Faro三維激光掃描儀對各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行掃描，時(shí)間控制于8min，在單站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和拼接后可以進(jìn)一步獲取小雁塔詳細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此外，近景攝影測量技術(shù)拍攝所獲數(shù)字影像是小雁塔三維精細(xì)化重建的主要數(shù)據(jù)來源，因此選用AscTecFalcon8無人機(jī)，搭載索尼相機(jī)，以移動(dòng)地面控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)備。在航拍前需實(shí)地勘查小雁塔周圍環(huán)境，以此為無人機(jī)起飛與降落場地選取、航線規(guī)劃以及應(yīng)急預(yù)案制定等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，將相機(jī)分辨率設(shè)定為6000×4000，而影響獲取表面分辨率則設(shè)置為1mm/pix。對于小雁塔的單體建筑而言，可選擇飛行模式進(jìn)行影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，而相鄰影像圖片重疊度可達(dá)65%，一共采集了662張照片。

對西安小雁塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后可迅速實(shí)現(xiàn)三維精細(xì)化建模。小雁塔模型比較復(fù)雜，涉及塔基、塔身、塔剎三部分，塔身周圍相似度高無法分辨，對于每部分真實(shí)情況皆以不同方法進(jìn)行三維模型構(gòu)建，以此保證建模精細(xì)程度與效率。小雁塔結(jié)構(gòu)獨(dú)具特點(diǎn)，自下而上按照比例逐層遞減，因此對于塔身模型構(gòu)建可就點(diǎn)云數(shù)據(jù)線劃形式構(gòu)建某層塔結(jié)構(gòu)模型，以夠塔身二維線段，再以擠壓與車削等二維運(yùn)算、三維布爾運(yùn)算構(gòu)建大小不同的長方體便接與合并等處理，以生成塔身外側(cè)棱角。根據(jù)比例縮小與放大某層塔以獲得小雁塔模型，然后使用指令拼接已經(jīng)構(gòu)建完成的塔身模型，再微調(diào)結(jié)構(gòu)以生成與小雁塔實(shí)體結(jié)構(gòu)相契合的三維模型?；谏鲜隽鞒探M合建立大雁塔三維數(shù)字模型，于3DMax軟件中建立小雁塔模型后，以高像素小雁塔全景照進(jìn)行模型紋理貼圖。所謂紋理貼圖實(shí)際上就是以圖像、函數(shù)或其他數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)變模型表面外觀，原理在于將高像素照片粘貼于多邊形，以此不僅可以加快速度，還可以提高效率，實(shí)體與模型高度近似，從而輸出小雁塔模型渲染效果圖，具體如圖4所示。

4結(jié)論

綜上所述，基于多源數(shù)據(jù)融合的古建筑三維精細(xì)化重建模型效果更為顯著，且質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了大幅度提升，可有效解決三維激光掃描由于建筑物遮擋而頂部信息匱乏所造成的空洞，以及無人機(jī)由于建筑遮擋視角難以采集數(shù)據(jù)等一系列問題。多源數(shù)據(jù)融合集成了三種技術(shù)，可充分獲取古建筑三維場景空間信息，提高三維建模效率與水平，在確保高精度的前提下提升了建模效率，生成了快速且有效的場景三維精細(xì)化建模機(jī)制。

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基金項(xiàng)目：本文系陜西服裝工程學(xué)院2023年校級科研項(xiàng)目“基于多源數(shù)據(jù)的古建筑三維精細(xì)化重建研究”（項(xiàng)目編號：2023XKZ50）。