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古建筑测绘三维实景建模技术应用

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古建筑测绘三维实景建模技术应用

2019/08/28

作为世界文明古国，先辈们以勤劳和智慧为我们后辈子孙留下了大量珍贵的古建筑，这些包含重要历史信息的建筑遗产不仅仅是遮风挡雨的住所，还传承着不同民族、不同地域、不同信仰的精神与智慧，蕴含着深厚的历史价值、人文价值和科研价值。

然而，古建筑自落成之日起就开始承受不同程度的侵蚀和破坏。自然环境中长期的风霜雨雪、雷电冰雹，会不断腐蚀和氧化建筑及其构件的外表面；地震、洪水、泥石流等自然灾害会严重损坏房屋结构。历史长河中的众多战争、火灾、人口迁徙、城市化进程、过度开发等等人为因素也造成了众多文物古迹的灭失。根据全国第三次文物普查的相关数据表明，不可移动文物在几十年间已经消失了四万四千多处，平均每年至少灭失2000余处。

在古建筑、古民居、古村落不断消失的今天，对建筑布局、建筑形制、结构体系和构件尺寸的全面测绘是保护和传承建筑技术、工艺和价值的最基本、最有效的手段和方法。测绘可以获得古建筑的具体数据和相关信息，也是文物保护工作的最基本环节。

1、古建筑测绘的现状

我国古建筑测绘的方法部分还停滞在比较传统的手工测绘阶段，此类测绘依赖测绘人员具有一定程度的建筑学综合素养，熟悉测绘对象的相关形式历史、结构、特征及其构造知识；同时接触式的手工测绘可能会对历史建筑造成不可逆的损害。因此，大大降低了古建筑测绘的效率。

目前，国内外应用于古建筑测绘的先进仪器有：全站仪、三维激光扫描仪等高精度硬件设备，这些设备利用激光反馈的特性直接获取空间及物体信息，精度高且不需要接触文物古迹，但缺点是造价高昂，便携性差，后期处理繁琐，处理后的点云数据缺乏古建筑必要的纹理特征。

传统测绘与现代测绘优缺点对比

传统测绘

优点：无设备投入要求

缺点：精度低、效率低、人力、物力成本高，容易对文物造成破坏

现代测绘

优点：高精度，高效率，低成本，测绘成果包含纹理特征，不接触文物本体

缺点：设备造价较高，后期处理繁琐

2、基于影像的三维实景建模古建筑测绘

与传统测绘做法相比，基于图像采集的三维实景建模技术的优势在于：不接触对象本体，测绘设备造价低，后期处理简便且包含古建筑不同部位的相关纹理信息，精度能够满足建筑测绘等等特点。其基本原理是通过拍摄多张连续的空中、地面数码图像，结合空间坐标信息进行计算机空三处理和建模，最终形成可视化或可编辑的三维实景模型。

2018年3月我课题组调研了内蒙古乌兰察布地区某古镇，其间对古镇内3处即将进行大修改造的民居院落进行了三维实景建模。平均每个院落测绘面积为700余平方米，测绘设备包含：大疆Phantom3 Professional无人机、Canon EOS 60D数码单反相机和国产RTK设备。

在数据采集中，利用空中图像采集和地面图像采集相结合的方法，为每个历史院落空中采集300-500张携带POS坐标信息的数码相片，地面采集200-300张数码相片。利用RTK设备为每个院落四周做4-8个控制点。

随后将图像数据、POS坐标信息和控制点信息全部导入ContextCapture软件进行空三预处理和实景模型的搭建，在修改初期成果和分幅修饰后，最终形成1号、2号、3号院落的三维立体模型成果。

基于三维实景建模技术的古建筑测绘

院落实景模型

对于古建筑而言，由于建筑学所要求的图纸绘制重点和难点分别是建筑总平面图、建筑立面图、建筑剖面图以及建筑节点大样图。因此，内业部分如能完成上述图纸内容即可完成测绘的大部分工作。下面将结合具体案例，以流程图为参照，从以下三个方面介绍三维实景建模在相应测绘图中的应用。

实景模型生产流程图

三维实景建模技术在绘制建筑群总平面图中的应用

古建筑群的总平面图能够准确地表现出各单体建筑之间的间距和相对位置信息，使其总体布局和环境一目了然。利用三维实景建模技术，可快速获得相对精确的总平面信息，包括区域内外建筑的相对位置关系、道路信息、周边环境信息及其对应的坐标点、距离、面积和体积信息，如图所示，阴影部分反映了院落总平面的测绘面积。

经三维实景建模软件处理，其成果可导出携带POS信息的点云数据并与CAD软件对接，从而绘制古建筑群相对精确的CAD总平面图，测绘及修缮图。因此，以往以小板手绘措施，结合测距仪、经纬仪和水准仪的读数的总平面测绘方法，可以完全被三维实景建模方式取代。

三维实景建模技术在绘制古建筑立面图中的应用

古建筑的立面图包括其单体的正立面、背立面和两个侧立面。以往的建筑学测绘，经常采用竹竿和皮卷尺、铅垂球来测量建筑高度，近些年借助激光测距仪和三维激光扫描仪来进行古建筑立面测绘。这些测绘方式的优势和弊端在前文中已提及，这里就不再多赘述。

而采用三维实景建模技术可基本解决上述弊端，即利用无人机倾斜摄影的方式测绘古建筑檐口以上的立面信息，利用地面影像数据测绘檐口以内的立面信息，同时结合像素控制点和RTK控制点促使立面测绘达到建筑学测绘精度。如图所示，将院落三维测绘成果导入ContextCapture Editor或Bentley的其他软件中，剖切院落的西厢房的正立面可得到如下影像结果。

如需形成CAD立面图纸或修缮图纸，可借助点云工具或光栅化立面图像信息，在CAD中重新绘制即可，修缮正立面图和背立面图。

三维实景建模技术在绘制古建筑节点大样图中的应用

古建筑的节点大样图包含了类似砖雕、脊饰、斗拱等不同位置的大样。此类构件的线条、图案较为复杂，因而节点大样图往往是古建筑测绘中最耗时、难度最大的。采用三维实景建模技术，可真实还原建筑物重要节点的样式信息、尺寸信息和材质信息，亦可作为数字化三维档案留存。利用空中、地面结合的三维实景建模技术，可真实反映了古建筑的斗拱样式、彩画风格和材质信息，这些数字化档案亦可导入Autodesk或Bentley相关软件进行矢量化处理。

浙江省某古建筑斗拱实景模型3

景建模技术在古建筑测绘中的弊端

虽然采用空中、地面影像相结合的实景建模技术可以替代建筑学测绘中的总平面测绘、立面测绘和部分节点测绘。但其技术应用于古建筑测绘也存在很多弊端，在某些自然因素或人文因素的干扰下，无法实现古建筑测绘的全部要求。例如：

古建筑室内及梁架结构的实景数码影像较难获取

由于我国传统古建筑采光的特殊性，室内光源很难达到数码相机的拍摄要求，室内梁架结构更是隐藏在屋顶天花之上，致使古建筑的各层平面图和剖面图无法通过数码设备提取实景模型数据。因此，古建筑室内及梁架结构的实景数码影像现阶段很难获取。目前，提取室内三维点云数据仍然需要依靠三维激光扫描仪。课题组通过便携式SLAM（Simultaneous Localization and Mapping即时定位与地图构建技术）三维激光扫描仪对乌兰察布地区某历史建筑的室内及梁架结构进行了扫描，形成了较为清晰的建筑平面、剖面点云映射图，虽然可以进行尺寸测量，但却无法显示其间的纹理材质。

SLAM点云平面、剖面映射数据

对于周边树木较多的古建筑群，较难提取建筑的立面信息

在我国，尤其是南部地区，很多历史建筑被周边茂密的林木所掩盖，建筑立面也随之掩盖在浓密的枝叶当中，这就导致实景立面模型无法通过无人机倾斜摄影来提取。同样，三维激光扫描仪亦难已完成此类工作。目前，在古建筑群紧凑或周边林木较多的区域，建筑立面图仍需要手工测绘才能完成。

通过单一的数码影像建模方式无法获取高精度的节点模型

利用像素点云构建的实景模型十分依赖相机的故有像素，同时也容易受到环境光线、粉尘的直接影响。因此，古建筑的部分节点无法通过数码相机建立超高精度实景模型，还需要依赖不需要环境光源的三维激光扫描仪来共同实现。如图，敦煌莫高窟覆斗形殿堂式小型窟中的塑像，通过高精度的三维激光扫描仪建立几何信息，再叠加数码相机采集的纹理信息，形成了栩栩如生的高精度三维实景模型。

敦煌莫高窟塑像模型对比图

古建筑测绘是文化遗产保护基础工作的重中之重，其结果可应用于研究评估、管理维护、保护规划与设计、保护工程实施、周边环境的建设控制以及教育、展示和宣传等诸多方面。

通过上述内容不难发现，基于影像的三维实景建模技术在自然和人文条件允许的情况下，可充分取代古建筑测绘中的总平面测绘、立面测绘及部分节点测绘，且优势明显。但在古建筑室内测绘、梁架结构测绘和高精度节点测绘中却不能单一的运用像素点云进行三维实景模型的搭建，还需要结合手工测绘或三维激光扫描仪来实现二维或三维的图纸绘制。

相信随着时代的进步和科技的发展，古建筑测绘作为文化遗产保护的基础必然会向着更加便捷、更加低廉、更加精确的方向前进，必然会影响文化遗产保护更加系统化、规范化。古建筑测绘工作任重道远，但却大有可为。

本文作者：乔恩懋、尚大为内蒙古建筑职业技术学院装饰与艺术设计学院

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