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基于三維實(shí)景建模技術(shù)的古建筑測(cè)繪作為世界文明古國(guó)，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?dú)v史信息的建筑遺產(chǎn)不僅僅是遮風(fēng)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(yùn)含著深厚的歷史價(jià)值、人文價(jià)值和科研價(jià)值。 然而，古建筑自落成之日起就開(kāi)始承受不同程度的侵蝕和破壞。自然環(huán)境中長(zhǎng)期的風(fēng)霜雨雪、雷電冰雹，會(huì)不斷腐蝕和氧化建筑及其構(gòu)件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞房屋結(jié)構(gòu)。歷史長(zhǎng)河中的眾多戰(zhàn)爭(zhēng)、火災(zāi)、人口遷徙、城市化進(jìn)程、過(guò)度開(kāi)發(fā)等等人為因素也造成了眾多文物古跡的滅失。根據(jù)全國(guó)第三次文物普查的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，不可移動(dòng)文物在幾十年間已經(jīng)消失了四萬(wàn)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(duì)建筑布局、建筑形制、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件尺寸的全面測(cè)繪是保護(hù)和傳承建筑技術(shù)、工藝和價(jià)值的最基本、最有效的手段和方法。測(cè)繪可以獲得古建筑的具體數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，也是文物保護(hù)工作的最基本環(huán)節(jié)。 古建筑測(cè)繪的現(xiàn)狀 我國(guó)古建筑測(cè)繪的方法部分還停滯在比較傳統(tǒng)的手工測(cè)繪階段，此類(lèi)測(cè)繪依賴(lài)測(cè)繪人員具有一定程度的建筑學(xué)綜合素養(yǎng)，熟悉測(cè)繪對(duì)象的相關(guān)形式歷史、結(jié)構(gòu)、特征及其構(gòu)造知識(shí)；同時(shí)接觸式的手工測(cè)繪可能會(huì)對(duì)歷史建筑造成不可逆的損害。因此，大大降低了古建筑測(cè)繪的效率。 目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于古建筑測(cè)繪的先進(jìn)儀器有：全站儀、三維激光掃描儀等高精度硬件設(shè)備，這些設(shè)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(diǎn)是造價(jià)高昂，便攜性差，后期處理繁瑣，處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺乏古建筑必要的紋理特征。 傳統(tǒng)測(cè)繪與現(xiàn)代測(cè)繪優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比 傳統(tǒng)測(cè)繪 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)設(shè)備投入要求 缺點(diǎn)：精度低、效率低、人力、物力成本高，容易對(duì)文物造成破壞 現(xiàn)代測(cè)繪 優(yōu)點(diǎn)：高精度，高效率，低成本，測(cè)繪成果包含紋理特征，不接觸文物本體 缺點(diǎn)：設(shè)備造價(jià)較高，后期處理繁瑣 基于影像的三維實(shí)景建模古建筑測(cè)繪 與傳統(tǒng)測(cè)繪做法相比，基于圖像采集的三維實(shí)景建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：不接觸對(duì)象本體，測(cè)繪設(shè)備造價(jià)低，后期處理簡(jiǎn)便且包含古建筑不同部位的相關(guān)紋理信息，精度能夠滿足建筑測(cè)繪等等特點(diǎn)。其基本原理是通過(guò)拍攝多張連續(xù)的空中、地面數(shù)碼圖像，結(jié)合空間坐標(biāo)信息進(jìn)行計(jì)算機(jī)空三處理和建模，最終形成可視化或可編輯的三維實(shí)景模型。
2018年3月我課題組調(diào)研了內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)某古鎮(zhèn)，其間對(duì)古鎮(zhèn)內(nèi)3處即將進(jìn)行大修改造的民居院落進(jìn)行了三維實(shí)景建模。平均每個(gè)院落測(cè)繪面積為700余平方米，測(cè)繪設(shè)備包含：大疆Phantom3 Professional無(wú)人機(jī)、Canon EOS 60D數(shù)碼單反相機(jī)和國(guó)產(chǎn)RTK設(shè)備。 在數(shù)據(jù)采集中，利用空中圖像采集和地面圖像采集相結(jié)合的方法，為每個(gè)歷史院落空中采集300-500張攜帶POS坐標(biāo)信息的數(shù)碼相片，地面采集200-300張數(shù)碼相片。利用RTK設(shè)備為每個(gè)院落四周做4-8個(gè)控制點(diǎn)。 隨后將圖像數(shù)據(jù)、POS坐標(biāo)信息和控制點(diǎn)信息全部導(dǎo)入ContextCapture軟件進(jìn)行空三預(yù)處理和實(shí)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(hào)、2號(hào)、3號(hào)院落的三維立體模型成果。
對(duì)于古建筑而言，由于建筑學(xué)所要求的圖紙繪制重點(diǎn)和難點(diǎn)分別是建筑總平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖以及建筑節(jié)點(diǎn)大樣圖。因此，內(nèi)業(yè)部分如能完成上述圖紙內(nèi)容即可完成測(cè)繪的大部分工作。下面將結(jié)合具體案例，以流程圖為參照，從以下三個(gè)方面介紹三維實(shí)景建模在相應(yīng)測(cè)繪圖中的應(yīng)用。
三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制建筑群總平面圖中的應(yīng)用 古建筑群的總平面圖能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)出各單體建筑之間的間距和相對(duì)位置信息，使其總體布局和環(huán)境一目了然。利用三維實(shí)景建模技術(shù)，可快速獲得相對(duì)精確的總平面信息，包括區(qū)域內(nèi)外建筑的相對(duì)位置關(guān)系、道路信息、周邊環(huán)境信息及其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)、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(cè)繪面積。
經(jīng)三維實(shí)景建模軟件處理，其成果可導(dǎo)出攜帶POS信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并與CAD軟件對(duì)接，從而繪制古建筑群相對(duì)精確的CAD總平面圖，測(cè)繪及修繕圖。因此，以往以小板手繪措施，結(jié)合測(cè)距儀、經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀的讀數(shù)的總平面測(cè)繪方法，可以完全被三維實(shí)景建模方式取代。
三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制古建筑立面圖中的應(yīng)用 古建筑的立面圖包括其單體的正立面、背立面和兩個(gè)側(cè)立面。以往的建筑學(xué)測(cè)繪，經(jīng)常采用竹竿和皮卷尺、鉛垂球來(lái)測(cè)量建筑高度，近些年借助激光測(cè)距儀和三維激光掃描儀來(lái)進(jìn)行古建筑立面測(cè)繪。這些測(cè)繪方式的優(yōu)勢(shì)和弊端在前文中已提及，這里就不再多贅述。 而采用三維實(shí)景建模技術(shù)可基本解決上述弊端，即利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影的方式測(cè)繪古建筑檐口以上的立面信息，利用地面影像數(shù)據(jù)測(cè)繪檐口以?xún)?nèi)的立面信息，同時(shí)結(jié)合像素控制點(diǎn)和RTK控制點(diǎn)促使立面測(cè)繪達(dá)到建筑學(xué)測(cè)繪精度。如圖所示，將院落三維測(cè)繪成果導(dǎo)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(jié)果。
如需形成CAD立面圖紙或修繕圖紙，可借助點(diǎn)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。
三維實(shí)景建模技術(shù)在繪制古建筑節(jié)點(diǎn)大樣圖中的應(yīng)用 古建筑的節(jié)點(diǎn)大樣圖包含了類(lèi)似磚雕、脊飾、斗拱等不同位置的大樣。此類(lèi)構(gòu)件的線條、圖案較為復(fù)雜，因而節(jié)點(diǎn)大樣圖往往是古建筑測(cè)繪中最耗時(shí)、難度最大的。采用三維實(shí)景建模技術(shù)，可真實(shí)還原建筑物重要節(jié)點(diǎn)的樣式信息、尺寸信息和材質(zhì)信息，亦可作為數(shù)字化三維檔案留存。利用空中、地面結(jié)合的三維實(shí)景建模技術(shù)，可真實(shí)反映了古建筑的斗拱樣式、彩畫(huà)風(fēng)格和材質(zhì)信息，這些數(shù)字化檔案亦可導(dǎo)入Autodesk或Bentley相關(guān)軟件進(jìn)行矢量化處理。
景建模技術(shù)在古建筑測(cè)繪中的弊端 雖然采用空中、地面影像相結(jié)合的實(shí)景建模技術(shù)可以替代建筑學(xué)測(cè)繪中的總平面測(cè)繪、立面測(cè)繪和部分節(jié)點(diǎn)測(cè)繪。但其技術(shù)應(yīng)用于古建筑測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)古建筑測(cè)繪的全部要求。例如： 古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實(shí)景數(shù)碼影像較難獲取 由于我國(guó)傳統(tǒng)古建筑采光的特殊性，室內(nèi)光源很難達(dá)到數(shù)碼相機(jī)的拍攝要求，室內(nèi)梁架結(jié)構(gòu)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(wú)法通過(guò)數(shù)碼設(shè)備提取實(shí)景模型數(shù)據(jù)。因此，古建筑室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)的實(shí)景數(shù)碼影像現(xiàn)階段很難獲取。目前，提取室內(nèi)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍然需要依靠三維激光掃描儀。課題組通過(guò)便攜式SLAM（Simultaneous Localization and Mapping即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)）三維激光掃描儀對(duì)烏蘭察布地區(qū)某歷史建筑的室內(nèi)及梁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描，形成了較為清晰的建筑平面、剖面點(diǎn)云映射圖，雖然可以進(jìn)行尺寸測(cè)量，但卻無(wú)法顯示其間的紋理材質(zhì)。
對(duì)于周邊樹(shù)木較多的古建筑群，較難提取建筑的立面信息 在我國(guó)，尤其是南部地區(qū)，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(dāng)中，這就導(dǎo)致實(shí)景立面模型無(wú)法通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影來(lái)提取。同樣，三維激光掃描儀亦難已完成此類(lèi)工作。目前，在古建筑群緊湊或周邊林木較多的區(qū)域，建筑立面圖仍需要手工測(cè)繪才能完成。 通過(guò)單一的數(shù)碼影像建模方式無(wú)法獲取高精度的節(jié)點(diǎn)模型 利用像素點(diǎn)云構(gòu)建的實(shí)景模型十分依賴(lài)相機(jī)的故有像素，同時(shí)也容易受到環(huán)境光線、粉塵的直接影響。因此，古建筑的部分節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)數(shù)碼相機(jī)建立超高精度實(shí)景模型，還需要依賴(lài)不需要環(huán)境光源的三維激光掃描儀來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。如圖，敦煌莫高窟覆斗形殿堂式小型窟中的塑像，通過(guò)高精度的三維激光掃描儀建立幾何信息，再疊加數(shù)碼相機(jī)采集的紋理信息，形成了栩栩如生的高精度三維實(shí)景模型。
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