基于多视角影像的古建筑三维建模

吴晓雯，张志华*，窦觉勇

（1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070；2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃 兰州 730070；4.兰州交通大学 建筑与规划学院，甘肃 兰州 730070）

摄影测量长期以来被用作收集文化遗产三维信息和纹理信息的工具，在修复过程中，使用照片和数学公式，比传统的方式更具优越性，对于准确的量测文化遗产具有重要意义[1-4]，因此国内外研究者广泛将其应用于古建筑保护。2002年，Gruen[5]等利用1970年拍摄的影像对阿富汗巴米扬大佛进行三维重建。伊斯坦布尔市政府利用摄影测量对法提赫清真寺进行修复研究[6]。在国内，对重要遗迹、古建筑进行三维建模，初期主要借助三维激光扫描与摄影测量技术[7-9]。张永军[7]等发现影像重叠度越大，相对定向的精度越好，而且平面和高程方向的交会精度的可靠性也越高，于是催生了另外一种技术的诞生(多视角影像三维重建技术)。有不少研究者对小型文物进行三维重建，均取得了较好的研究成果[10-12]。但研究对象体型较小，借助相机即可完成影像的采集，而大型古建筑的三维重建却不能仅借助相机。近年来，摄影测量借助先进的无人机技术，改进了数据采集和处理方法。文献[13-14]采用无人机技术对大型不可移动文物进行重建，但由于环境复杂，导致模型部分有空洞，仍然需要人工使用修模软件对空洞区域进行修补。文献[15]中针对古建筑范围小、场景复杂、建模精细度要求较高等问题，采用无人机与二次开发技术，定点环绕多层、多角度对武汉大学老图书馆进行建模，取得了较好的成果。文献[16]中采用空地多视角影像对古村落进行重建，纹理影像分辨率达到0.01 m。利用无人机作为影像获取平台进行古建筑三维建模，能够真实记录地单体建筑颜色、纹理及破损情况、分布格局与周边环境，模型后续还可结合BIM技术对古建筑进行专业化管理[17]。

无人机在采集近地面数据时会受到树木、屋檐等遮挡物影响，使得三维实景模型出现模糊、拉花、破洞等现象。这些问题不仅使模型在展示效果上大打折扣，而且还严重影响着模型的精度及其直接可量测性。针对以上问题，本文利用倾斜摄影测量方式获取目标物的顶部以及四周场景影像，多视角近距离辅助摄影测量技术获取目标物的加密影像，联合建立精细化实景三维模型。通过目视解译，分析三台阁的残损病害状况，制定详细的保护与修缮方案。

1 研究对象概况及数据获取

1.1 研究对象概况

三台阁原名魁星阁位于甘肃省兰州市皋兰山。始建于元朝仁宗年间，已有六百多年历史，历经五毁六建，依旧巍然屹立。三台阁在结构、空间布局等方面吸收兰州当地特色，形成了独特的风格。它是兰州历史更替的见证者，具有悠久的历史文化底蕴。

三台阁利用原有的遗址为台基，外彻青砖，台基上建有两层楼阁，是典型的墩台式建筑。阁楼结构形式为钢筋混凝土框架+木屋盖，其中主柱与檐柱均为钢筋混凝土结构，墩台外走廊地面为水泥砂浆抹面，木屋盖有圆木椽、木飞椽、木望板与斗拱木雕。木作与装修部分为兰州本地园林式风格，砖雕工艺复杂，门窗雕花简洁，彩绘朴素典雅。墩台包砌青砖的质地较差，并且砌筑时为糙砌未打磨。

随着时间的流逝，受自然环境与人为活动的影响，三台阁遭到不同程度的损毁，其中地基不均匀沉降、墩台裂缝、青砖酥碱、构件缺失以及植被破坏等问题较为严重。三台阁拥有复杂的表面轮廓与丰富的纹理色彩，传统的测量方法需要接触到目标物进行数据采集，整个测量过程不仅费时费力，而且阁楼的高处以及楼檐细节也无从测量（三台阁整体概况如图1所示）。

图1 三台阁影像

1.2 影像获取

本文倾斜摄影测量采用的是南方天行HO1300八旋翼无人机，飞行时间为中午，搭载5个镜头，航高为70 m，航向与旁向重叠度均设置为80%，每个镜头的照片数为71张，故总获取影像为355张。

多视角加密影像采用的是大疆无人机御Mavic Air，手动飞行共获取影像443张。在对建筑物进行手动加密拍摄时，需要注意关闭相机自动旋转模式，避免照片出现旋转，在拍摄建筑物立面时，从不同的平行线多角度拍摄照片，确保在连续的照片之间保持最少60%的重叠和最大15°的角度差，特别是在建筑物侧面与顶部的衔接地方，需要在多个角度按照拍摄立面同样的方式环绕拍摄多次，2个相邻不同高度获取的影像之间要具有60%的重叠度，为多数据源在空三处理中的自动融合提供基础。

2 数据导入与处理

考虑到小型无人机在进行多视角加密作业当中，获取的影像集具有独立的坐标系统，故只拍摄了目标建筑物的主体部分，即单独建筑物的加密影像。而由专业测绘无人机按照倾斜摄影测量方式在空中获取建筑物大范围场景的影像，并附带POS信息，可按照传统的建模方式即光束法区域网空中三角测量（bundle triangulation,BT）解算出每一张相片的外方位元素（exterior orientation,EO）。

2.1 倾斜摄影影像与多视角加密影像的BT解算

在Context Capture（简称CC，原名Smart 3D）软件中进行影像的空三处理时，倾斜摄影的影像组具备位置与姿态信息，即影像的内方位元素，首先不加入像元控制点进行第一次BT解算，初步还原影像的拍摄位置及姿态，然后导入像元控制点，每个控制点至少要在三张不同视角的影像上找到并标识出来，再一次进行BT解算，根据影像的重叠关系对其进行特征点提取和影像匹配，建立影像间的空间变换关系[19]。

多视角加密影像组的位置信息建立在飞机自带的独立坐标系下，拍摄的影像只包含建筑物的主体部分，没有覆盖像元控制点，所以若要恢复到空三解算过程，并且对两组影像进行融合，必须使此部分影像拥有像元控制点。故在倾斜摄影建模工作完成后，在其模型上拾取几个（根据建筑物大小决定控制点数量）标志性、容易识别的点位，多次获取点位坐标取平均值并记录，将其作为多视角影像BT解算中的像元控制点，具体的解算流程与上述方法类似。

2.2 区块合并

区块合并是将上述两组影像的BT解算成果合并到同一三维坐标空间中，并进行整体BT解算，获得高精度的外方位元素，实现点云级别的融合，流程如图2所示。

图2 区块合并流程

2.3 三维重建

在获取了影像精确的外方位元素之后，根据高精度的影像匹配算法，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中提取更多的特征点，由此得到大量的点云数据。再由匹配到的三维点云构建TIN三角网，自动将纹理影像映射到对应的TIN三角面片上，最终形成精细化的实景三维模型。

3 模型精度分析

为了对比分析本文的技术方法与传统技术方法（单独采用倾斜摄影测量方式）建模效果的差异，以三台阁为例，分别采用这2种方式进行实景三维建模。首先对比模型呈现的最直观效果，图3a是采用传统技术方法建立的模型，由于阁楼的整体结构较为复杂，特别是屋脊的雕饰、屋檐上的瓦片排列以及彩绘的花纹等，都出现了拉花、模糊等现象，几乎看不见阁楼飞檐下的细节信息；而采用本文所提出的精细化建模方法建立的模型如图3b所示，其结构清晰、色彩清楚，雕饰以及飞檐下的细节信息几乎全部保留，并未出现模糊、拉花等现象。

图3 建模效果对比图

对比图4a和4b可以清楚地看出，单独采用倾斜摄影测量的方式所构建的TIN密度明显比本文所用方法的TIN密度差很多，这将直接影响到后续建模以及纹理贴图的效果。

图4 TIN三角网对比图

模型的精度取决于多种因素，外业像控点的布设、影像的重叠度与质量、航飞高度等都会影响模型的精度。首先空三像点的误差会影响密集匹配时的点云误差，从而影响模型的相对误差，所以像点重投影误差的均方根是客观反映最终建模精度的重要指标之一。通过查看空三报告中重投影误差的均方根值，即可初步判断模型精度的可信度，RMS值越小，建模精度相对就越高。在保证足够控制点的前提下，根据经验公式，模型的精度约等于影像采集平均分辨率的三倍。在本实验中，RMS值为0.69 pixel，影像采集平均分辨率为4.213 7 mm/pixel，即模型精度约为12.64 mm，可较好的满足对古建筑物进行三维实景建模的高精度要求。

4 病害调查及修缮方案制定

4.1 内业三维模型分析

本文通过内业目视解译分析了三台阁的墙体裂缝、外包青砖的风化程度、植物入侵等情况，结合实地调查结果与模型分析，三台阁主要病害破损情况有以下几点（以下图像均截自三维模型）：

1）墩台裂缝及地面开裂。由于墩台周围排水不畅以及植被生长，导致墩台青砖的墙体有竖向与横向的裂缝，最长达5 m，分布在墙体表面、从植物根部延伸向外扩展，台阶的开裂情况也很明显（如图5）。

图5 墩台裂缝及地面开裂

2）植被破坏。三台阁本体生长了大量的植被，其根系对墙体造成了严重的涨裂，导致局部墙体开裂，青砖脱落，尤其是灌木，体积大生长力强，不仅增加墩台整体的负重，而且影响三台阁的美观（如图6）。植物储存的“植物水”积蓄在青砖周围，造成隐患性病害。

图6 植被破坏

3）青砖酥碱泛霜。墩台外包青砖，青砖本身具有较强的抗风化能力，保存状态较为良好。但多年来受到风雨侵蚀、植物的根劈作用、掉落等一系列连锁反应，导致青砖酥碱破裂，特别是北侧及背阴面青砖在植物和冻融循环的双重作用下，青砖酥碱情况尤为普遍（如图7）。

图7 青砖酥碱泛霜

4）门窗丢失装饰掉漆。上层阁楼的门窗表层漆面破损风化严重，甚至有些门板丢失，日常缺乏养护与管理（如图8）。

图8 门窗缺失掉漆

4.2 修缮与保护方案制定

针对以上破损现象，秉持安全、不破坏文物价值的原则，针对具体情况采取如表1所示。

表1 具体修缮方案

5 结语

文章详细阐述了融合倾斜摄影影像与多视角加密影像进行精细化实景三维建模的过程，特别是在建模范围大，需要精细化建模的建筑物位置分散且不方便布设像控点的情况下，运用本文所提供的方法进行三维建模会更加省时省力，且成本低廉，对于建筑物的真实性还原效果好。最终建模成果的纹理贴图具有逼真的展示效果，可以为公众提供全方位的观测，并且可以直接在软件中对模型进行量测。结合模型与现场勘探情况，分析了三台阁的破损病害情况，制定具体的保护与修缮方案，减轻外业勘探人员的工作量。也可与BIM技术相结合，对古建筑进行规范化管理。在接下来的工作中若能够总结出多视角加密影像的最优数量（即在保证模型的还原效果及精度的前提下，采集的影像数量最少），将会大大减少外业手动飞行以及后期内业处理的时间。