吳曉雯，張志華*，竇覺勇

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；4.蘭州交通大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

攝影測量長期以來被用作收集文化遺產(chǎn)三維信息和紋理信息的工具，在修復(fù)過程中，使用照片和數(shù)學(xué)公式，比傳統(tǒng)的方式更具優(yōu)越性，對于準(zhǔn)確的量測文化遺產(chǎn)具有重要意義[1-4]，因此國內(nèi)外研究者廣泛將其應(yīng)用于古建筑保護(hù)。2002年，Gruen[5]等利用1970年拍攝的影像對阿富汗巴米揚(yáng)大佛進(jìn)行三維重建。伊斯坦布爾市政府利用攝影測量對法提赫清真寺進(jìn)行修復(fù)研究[6]。在國內(nèi)，對重要遺跡、古建筑進(jìn)行三維建模，初期主要借助三維激光掃描與攝影測量技術(shù)[7-9]。張永軍[7]等發(fā)現(xiàn)影像重疊度越大，相對定向的精度越好，而且平面和高程方向的交會(huì)精度的可靠性也越高，于是催生了另外一種技術(shù)的誕生(多視角影像三維重建技術(shù))。有不少研究者對小型文物進(jìn)行三維重建，均取得了較好的研究成果[10-12]。但研究對象體型較小，借助相機(jī)即可完成影像的采集，而大型古建筑的三維重建卻不能僅借助相機(jī)。近年來，攝影測量借助先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)，改進(jìn)了數(shù)據(jù)采集和處理方法。文獻(xiàn)[13-14]采用無人機(jī)技術(shù)對大型不可移動(dòng)文物進(jìn)行重建，但由于環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致模型部分有空洞，仍然需要人工使用修模軟件對空洞區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)。文獻(xiàn)[15]中針對古建筑范圍小、場景復(fù)雜、建模精細(xì)度要求較高等問題，采用無人機(jī)與二次開發(fā)技術(shù)，定點(diǎn)環(huán)繞多層、多角度對武漢大學(xué)老圖書館進(jìn)行建模，取得了較好的成果。文獻(xiàn)[16]中采用空地多視角影像對古村落進(jìn)行重建，紋理影像分辨率達(dá)到0.01 m。利用無人機(jī)作為影像獲取平臺(tái)進(jìn)行古建筑三維建模，能夠真實(shí)記錄地單體建筑顏色、紋理及破損情況、分布格局與周邊環(huán)境，模型后續(xù)還可結(jié)合BIM技術(shù)對古建筑進(jìn)行專業(yè)化管理[17]。

無人機(jī)在采集近地面數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到樹木、屋檐等遮擋物影響，使得三維實(shí)景模型出現(xiàn)模糊、拉花、破洞等現(xiàn)象。這些問題不僅使模型在展示效果上大打折扣，而且還嚴(yán)重影響著模型的精度及其直接可量測性。針對以上問題，本文利用傾斜攝影測量方式獲取目標(biāo)物的頂部以及四周場景影像，多視角近距離輔助攝影測量技術(shù)獲取目標(biāo)物的加密影像，聯(lián)合建立精細(xì)化實(shí)景三維模型。通過目視解譯，分析三臺(tái)閣的殘損病害狀況，制定詳細(xì)的保護(hù)與修繕方案。

1 研究對象概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究對象概況

三臺(tái)閣原名魁星閣位于甘肅省蘭州市皋蘭山。始建于元朝仁宗年間，已有六百多年歷史，歷經(jīng)五毀六建，依舊巍然屹立。三臺(tái)閣在結(jié)構(gòu)、空間布局等方面吸收蘭州當(dāng)?shù)靥厣?，形成了?dú)特的風(fēng)格。它是蘭州歷史更替的見證者，具有悠久的歷史文化底蘊(yùn)。

三臺(tái)閣利用原有的遺址為臺(tái)基，外徹青磚，臺(tái)基上建有兩層樓閣，是典型的墩臺(tái)式建筑。閣樓結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架+木屋蓋，其中主柱與檐柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)外走廊地面為水泥砂漿抹面，木屋蓋有圓木椽、木飛椽、木望板與斗拱木雕。木作與裝修部分為蘭州本地園林式風(fēng)格，磚雕工藝復(fù)雜，門窗雕花簡潔，彩繪樸素典雅。墩臺(tái)包砌青磚的質(zhì)地較差，并且砌筑時(shí)為糙砌未打磨。

隨著時(shí)間的流逝，受自然環(huán)境與人為活動(dòng)的影響，三臺(tái)閣遭到不同程度的損毀，其中地基不均勻沉降、墩臺(tái)裂縫、青磚酥堿、構(gòu)件缺失以及植被破壞等問題較為嚴(yán)重。三臺(tái)閣擁有復(fù)雜的表面輪廓與豐富的紋理色彩，傳統(tǒng)的測量方法需要接觸到目標(biāo)物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，整個(gè)測量過程不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且閣樓的高處以及樓檐細(xì)節(jié)也無從測量（三臺(tái)閣整體概況如圖1所示）。

圖1 三臺(tái)閣影像

1.2 影像獲取

本文傾斜攝影測量采用的是南方天行HO1300八旋翼無人機(jī)，飛行時(shí)間為中午，搭載5個(gè)鏡頭，航高為70 m，航向與旁向重疊度均設(shè)置為80%，每個(gè)鏡頭的照片數(shù)為71張，故總獲取影像為355張。

多視角加密影像采用的是大疆無人機(jī)御Mavic Air，手動(dòng)飛行共獲取影像443張。在對建筑物進(jìn)行手動(dòng)加密拍攝時(shí)，需要注意關(guān)閉相機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)模式，避免照片出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，在拍攝建筑物立面時(shí)，從不同的平行線多角度拍攝照片，確保在連續(xù)的照片之間保持最少60%的重疊和最大15°的角度差，特別是在建筑物側(cè)面與頂部的銜接地方，需要在多個(gè)角度按照拍攝立面同樣的方式環(huán)繞拍攝多次，2個(gè)相鄰不同高度獲取的影像之間要具有60%的重疊度，為多數(shù)據(jù)源在空三處理中的自動(dòng)融合提供基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

考慮到小型無人機(jī)在進(jìn)行多視角加密作業(yè)當(dāng)中，獲取的影像集具有獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，故只拍攝了目標(biāo)建筑物的主體部分，即單獨(dú)建筑物的加密影像。而由專業(yè)測繪無人機(jī)按照傾斜攝影測量方式在空中獲取建筑物大范圍場景的影像，并附帶POS信息，可按照傳統(tǒng)的建模方式即光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量（bundle triangulation,BT）解算出每一張相片的外方位元素（exterior orientation,EO）。

2.1 傾斜攝影影像與多視角加密影像的BT解算

在Context Capture（簡稱CC，原名Smart 3D）軟件中進(jìn)行影像的空三處理時(shí)，傾斜攝影的影像組具備位置與姿態(tài)信息，即影像的內(nèi)方位元素，首先不加入像元控制點(diǎn)進(jìn)行第一次BT解算，初步還原影像的拍攝位置及姿態(tài)，然后導(dǎo)入像元控制點(diǎn)，每個(gè)控制點(diǎn)至少要在三張不同視角的影像上找到并標(biāo)識(shí)出來，再一次進(jìn)行BT解算，根據(jù)影像的重疊關(guān)系對其進(jìn)行特征點(diǎn)提取和影像匹配，建立影像間的空間變換關(guān)系[19]。

多視角加密影像組的位置信息建立在飛機(jī)自帶的獨(dú)立坐標(biāo)系下，拍攝的影像只包含建筑物的主體部分，沒有覆蓋像元控制點(diǎn)，所以若要恢復(fù)到空三解算過程，并且對兩組影像進(jìn)行融合，必須使此部分影像擁有像元控制點(diǎn)。故在傾斜攝影建模工作完成后，在其模型上拾取幾個(gè)（根據(jù)建筑物大小決定控制點(diǎn)數(shù)量）標(biāo)志性、容易識(shí)別的點(diǎn)位，多次獲取點(diǎn)位坐標(biāo)取平均值并記錄，將其作為多視角影像BT解算中的像元控制點(diǎn)，具體的解算流程與上述方法類似。

2.2 區(qū)塊合并

區(qū)塊合并是將上述兩組影像的BT解算成果合并到同一三維坐標(biāo)空間中，并進(jìn)行整體BT解算，獲得高精度的外方位元素，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云級(jí)別的融合，流程如圖2所示。

圖2 區(qū)塊合并流程

2.3 三維重建

在獲取了影像精確的外方位元素之后，根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中提取更多的特征點(diǎn)，由此得到大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再由匹配到的三維點(diǎn)云構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，自動(dòng)將紋理影像映射到對應(yīng)的TIN三角面片上，最終形成精細(xì)化的實(shí)景三維模型。

3 模型精度分析

為了對比分析本文的技術(shù)方法與傳統(tǒng)技術(shù)方法（單獨(dú)采用傾斜攝影測量方式）建模效果的差異，以三臺(tái)閣為例，分別采用這2種方式進(jìn)行實(shí)景三維建模。首先對比模型呈現(xiàn)的最直觀效果，圖3a是采用傳統(tǒng)技術(shù)方法建立的模型，由于閣樓的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是屋脊的雕飾、屋檐上的瓦片排列以及彩繪的花紋等，都出現(xiàn)了拉花、模糊等現(xiàn)象，幾乎看不見閣樓飛檐下的細(xì)節(jié)信息；而采用本文所提出的精細(xì)化建模方法建立的模型如圖3b所示，其結(jié)構(gòu)清晰、色彩清楚，雕飾以及飛檐下的細(xì)節(jié)信息幾乎全部保留，并未出現(xiàn)模糊、拉花等現(xiàn)象。

圖3 建模效果對比圖

對比圖4a和4b可以清楚地看出，單獨(dú)采用傾斜攝影測量的方式所構(gòu)建的TIN密度明顯比本文所用方法的TIN密度差很多，這將直接影響到后續(xù)建模以及紋理貼圖的效果。

圖4 TIN三角網(wǎng)對比圖

模型的精度取決于多種因素，外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)、影像的重疊度與質(zhì)量、航飛高度等都會(huì)影響模型的精度。首先空三像點(diǎn)的誤差會(huì)影響密集匹配時(shí)的點(diǎn)云誤差，從而影響模型的相對誤差，所以像點(diǎn)重投影誤差的均方根是客觀反映最終建模精度的重要指標(biāo)之一。通過查看空三報(bào)告中重投影誤差的均方根值，即可初步判斷模型精度的可信度，RMS值越小，建模精度相對就越高。在保證足夠控制點(diǎn)的前提下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，模型的精度約等于影像采集平均分辨率的三倍。在本實(shí)驗(yàn)中，RMS值為0.69 pixel，影像采集平均分辨率為4.213 7 mm/pixel，即模型精度約為12.64 mm，可較好的滿足對古建筑物進(jìn)行三維實(shí)景建模的高精度要求。

4 病害調(diào)查及修繕方案制定

4.1 內(nèi)業(yè)三維模型分析

本文通過內(nèi)業(yè)目視解譯分析了三臺(tái)閣的墻體裂縫、外包青磚的風(fēng)化程度、植物入侵等情況，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果與模型分析，三臺(tái)閣主要病害破損情況有以下幾點(diǎn)（以下圖像均截自三維模型）：

1）墩臺(tái)裂縫及地面開裂。由于墩臺(tái)周圍排水不暢以及植被生長，導(dǎo)致墩臺(tái)青磚的墻體有豎向與橫向的裂縫，最長達(dá)5 m，分布在墻體表面、從植物根部延伸向外擴(kuò)展，臺(tái)階的開裂情況也很明顯（如圖5）。

圖5 墩臺(tái)裂縫及地面開裂

2）植被破壞。三臺(tái)閣本體生長了大量的植被，其根系對墻體造成了嚴(yán)重的漲裂，導(dǎo)致局部墻體開裂，青磚脫落，尤其是灌木，體積大生長力強(qiáng)，不僅增加墩臺(tái)整體的負(fù)重，而且影響三臺(tái)閣的美觀（如圖6）。植物儲(chǔ)存的“植物水”積蓄在青磚周圍，造成隱患性病害。

圖6 植被破壞

3）青磚酥堿泛霜。墩臺(tái)外包青磚，青磚本身具有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，保存狀態(tài)較為良好。但多年來受到風(fēng)雨侵蝕、植物的根劈作用、掉落等一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致青磚酥堿破裂，特別是北側(cè)及背陰面青磚在植物和凍融循環(huán)的雙重作用下，青磚酥堿情況尤為普遍（如圖7）。

圖7 青磚酥堿泛霜

4）門窗丟失裝飾掉漆。上層閣樓的門窗表層漆面破損風(fēng)化嚴(yán)重，甚至有些門板丟失，日常缺乏養(yǎng)護(hù)與管理（如圖8）。

圖8 門窗缺失掉漆

4.2 修繕與保護(hù)方案制定

針對以上破損現(xiàn)象，秉持安全、不破壞文物價(jià)值的原則，針對具體情況采取如表1所示。

表1 具體修繕方案

5 結(jié)語

文章詳細(xì)闡述了融合傾斜攝影影像與多視角加密影像進(jìn)行精細(xì)化實(shí)景三維建模的過程，特別是在建模范圍大，需要精細(xì)化建模的建筑物位置分散且不方便布設(shè)像控點(diǎn)的情況下，運(yùn)用本文所提供的方法進(jìn)行三維建模會(huì)更加省時(shí)省力，且成本低廉，對于建筑物的真實(shí)性還原效果好。最終建模成果的紋理貼圖具有逼真的展示效果，可以為公眾提供全方位的觀測，并且可以直接在軟件中對模型進(jìn)行量測。結(jié)合模型與現(xiàn)場勘探情況，分析了三臺(tái)閣的破損病害情況，制定具體的保護(hù)與修繕方案，減輕外業(yè)勘探人員的工作量。也可與BIM技術(shù)相結(jié)合，對古建筑進(jìn)行規(guī)范化管理。在接下來的工作中若能夠總結(jié)出多視角加密影像的最優(yōu)數(shù)量（即在保證模型的還原效果及精度的前提下，采集的影像數(shù)量最少），將會(huì)大大減少外業(yè)手動(dòng)飛行以及后期內(nèi)業(yè)處理的時(shí)間。