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      古建筑測繪三維實景建模技術應用

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      古建筑測繪三維實景建模技術應用

      2019/08/28


      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，這些包含重要歷史信息的建筑遺產不僅僅是遮風擋雨的住所，還傳承著不同民族、不同地域、不同信仰的精神與智慧，蘊含著深厚的歷史價值、人文價值和科研價值。
      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。自然環境中長期的風霜雨雪、雷電冰雹，會不斷腐蝕和氧化建筑及其構件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然災害會嚴重損壞房屋結構。歷史長河中的眾多戰爭、火災、人口遷徙、城市化進程、過度開發等等人為因素也造成了眾多文物古跡的滅失。根據全國第三次文物普查的相關數據表明，不可移動文物在幾十年間已經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、結構體系和構件尺寸的全面測繪是保護和傳承建筑技術、工藝和價值的最基本、最有效的手段和方法。測繪可以獲得古建筑的具體數據和相關信息，也是文物保護工作的最基本環節。


      1、古建筑測繪的現狀


      我國古建筑測繪的方法部分還停滯在比較傳統的手工測繪階段，此類測繪依賴測繪人員具有一定程度的建筑學綜合素養，熟悉測繪對象的相關形式歷史、結構、特征及其構造知識；同時接觸式的手工測繪可能會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，國內外應用于古建筑測繪的先進儀器有：全站儀、三維激光掃描儀等高精度硬件設備，這些設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，但缺點是造價高昂，便攜性差，后期處理繁瑣，處理后的點云數據缺乏古建筑必要的紋理特征。
      傳統測繪與現代測繪優缺點對比
      傳統測繪
      優點：無設備投入要求
      缺點：精度低、效率低、人力、物力成本高，容易對文物造成破壞
      現代測繪
      優點：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：設備造價較高，后期處理繁瑣


      2、基于影像的三維實景建模古建筑測繪


      與傳統測繪做法相比，基于圖像采集的三維實景建模技術的優勢在于：不接觸對象本體，測繪設備造價低，后期處理簡便且包含古建筑不同部位的相關紋理信息，精度能夠滿足建筑測繪等等特點。其基本原理是通過拍攝多張連續的空中、地面數碼圖像，結合空間坐標信息進行計算機空三處理和建模，最終形成可視化或可編輯的三維實景模型。


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      2018年3月我課題組調研了內蒙古烏蘭察布地區某古鎮，其間對古鎮內3處即將進行大修改造的民居院落進行了三維實景建模。平均每個院落測繪面積為700余平方米，測繪設備包含：大疆Phantom3 Professional無人機、Canon EOS 60D數碼單反相機和國產RTK設備。

      在數據采集中，利用空中圖像采集和地面圖像采集相結合的方法，為每個歷史院落空中采集300-500張攜帶POS坐標信息的數碼相片，地面采集200-300張數碼相片。利用RTK設備為每個院落四周做4-8個控制點。

      隨后將圖像數據、POS坐標信息和控制點信息全部導入ContextCapture軟件進行空三預處理和實景模型的搭建，在修改初期成果和分幅修飾后，最終形成1號、2號、3號院落的三維立體模型成果。

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      基于三維實景建模技術的古建筑測繪

      基于三維實景建模技術的古建筑測繪

      院落實景模型

      對于古建筑而言，由于建筑學所要求的圖紙繪制重點和難點分別是建筑總平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖以及建筑節點大樣圖。因此，內業部分如能完成上述圖紙內容即可完成測繪的大部分工作。下面將結合具體案例，以流程圖為參照，從以下三個方面介紹三維實景建模在相應測繪圖中的應用。


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      實景模型生產流程圖

      三維實景建模技術在繪制建筑群總平面圖中的應用


      古建筑群的總平面圖能夠準確地表現出各單體建筑之間的間距和相對位置信息，使其總體布局和環境一目了然。利用三維實景建模技術，可快速獲得相對精確的總平面信息，包括區域內外建筑的相對位置關系、道路信息、周邊環境信息及其對應的坐標點、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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      經三維實景建模軟件處理，其成果可導出攜帶POS信息的點云數據并與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，結合測距儀、經緯儀和水準儀的讀數的總平面測繪方法，可以完全被三維實景建模方式取代。

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      三維實景建模技術在繪制古建筑立面圖中的應用

      古建筑的立面圖包括其單體的正立面、背立面和兩個側立面。以往的建筑學測繪，經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行古建筑立面測繪。這些測繪方式的優勢和弊端在前文中已提及，這里就不再多贅述。

      而采用三維實景建模技術可基本解決上述弊端，即利用無人機傾斜攝影的方式測繪古建筑檐口以上的立面信息，利用地面影像數據測繪檐口以內的立面信息，同時結合像素控制點和RTK控制點促使立面測繪達到建筑學測繪精度。如圖所示，將院落三維測繪成果導入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果。
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      如需形成CAD立面圖紙或修繕圖紙，可借助點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。

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      三維實景建模技術在繪制古建筑節點大樣圖中的應用


      古建筑的節點大樣圖包含了類似磚雕、脊飾、斗拱等不同位置的大樣。此類構件的線條、圖案較為復雜，因而節點大樣圖往往是古建筑測繪中最耗時、難度最大的。采用三維實景建模技術，可真實還原建筑物重要節點的樣式信息、尺寸信息和材質信息，亦可作為數字化三維檔案留存。利用空中、地面結合的三維實景建模技術，可真實反映了古建筑的斗拱樣式、彩畫風格和材質信息，這些數字化檔案亦可導入Autodesk或Bentley相關軟件進行矢量化處理。

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      浙江省某古建筑斗拱實景模型3

      景建模技術在古建筑測繪中的弊端

      雖然采用空中、地面影像相結合的實景建模技術可以替代建筑學測繪中的總平面測繪、立面測繪和部分節點測繪。但其技術應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，無法實現古建筑測繪的全部要求。例如：


      古建筑室內及梁架結構的實景數碼影像較難獲取


      由于我國傳統古建筑采光的特殊性，室內光源很難達到數碼相機的拍攝要求，室內梁架結構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碼設備提取實景模型數據。因此，古建筑室內及梁架結構的實景數碼影像現階段很難獲取。目前，提取室內三維點云數據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即時定位與地圖構建技術）三維激光掃描儀對烏蘭察布地區某歷史建筑的室內及梁架結構進行了掃描，形成了較為清晰的建筑平面、 剖面點云映射圖，雖然可以進行尺寸測量，但卻無法顯示其間的紋理材質。


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      SLAM點云平面、剖面映射數據

      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，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中，這就導致實景立面模型無法通過無人機傾斜攝影來提取。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域，建筑立面圖仍需要手工測繪才能完成。
      通過單一的數碼影像建模方式無法獲取高精度的節點模型
      利用像素點云構建的實景模型十分依賴相機的故有像素，同時也容易受到環境光線、粉塵的直接影響。因此，古建筑的部分節點無法通過數碼相機建立超高精度實景模型，還需要依賴不需要環境光源的三維激光掃描儀來共同實現。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，再疊加數碼相機采集的紋理信息，形成了栩栩如生的高精度三維實景模型。
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      敦煌莫高窟塑像模型對比圖


      古建筑測繪是文化遺產保護基礎工作的重中之重，其結果可應用于研究評估、管理維護、保護規劃與設計、保護工程實施、周邊環境的建設控制以及教育、展示和宣傳等諸多方面。
      通過上述內容不難發現，基于影像的三維實景建模技術在自然和人文條件允許的情況下，可充分取代古建筑測繪中的總平面測繪、立面測繪及部分節點測繪，且優勢明顯。但在古建筑室內測繪、梁架結構測繪和高精度節點測繪中卻不能單一的運用像素點云進行三維實景模型的搭建，還需要結合手工測繪或三維激光掃描儀來實現二維或三維的圖紙繪制。
      相信隨著時代的進步和科技的發展，古建筑測繪作為文化遺產保護的基礎必然會向著更加便捷、更加低廉、更加精確的方向前進，必然會影響文化遺產保護更加系統化、規范化。古建筑測繪工作任重道遠，但卻大有可為。


      本文作者：喬恩懋、尚大為 內蒙古建筑職業技術學院裝飾與藝術設計學院

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