北京市历史建筑保护数字化技术研究与应用
李冬冬1,2
(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038;2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)
摘 要:本文研究如何充分利用现有倾斜影像数据,并结合三维激光扫描技术和近景摄影测量技术开展北京市历史建筑的建档测绘和重点历史建筑精细化三维模型制作,为全方位展示和传播北京市历史建筑的文化价值提供方法借鉴。通过探索数字化技术与历史建筑保护相结合的模式,为历史建筑的保护修复、宣传展示和精细化管理等工作提供翔实可靠的数据支撑。
0 引言
北京市是中国的政治文化中心,是一座具有三千多年历史的古都,对北京市的历史建筑进行数字化的保护研究是对文化遗产核心价值的重要传承[1]。历史建筑的数字化是在尊重历史建筑原本状态的基础上,借助数字化技术的方法、手段,对传统文化资源的保存、保护和再提升[2]。这为培育历史文化名城、加快智慧城市建设、全面推动新型城市建设等方面提供强有力的支持。近年来,随着三维激光扫描、摄影测量、计算机等技术的快速发展和在文化遗产领域的应用实践,我国文化遗产保护工作正逐步进入信息化时代[3-5]。尤其对历史建筑这种类型多样、形态各异、保存状况良莠不齐的不可移动文物,数字化测绘记录是其长期安全保存的一个基础与依托,也是对其进行宣传展示和保护的有效途径。
1 历史建筑保护数字化关键技术
本文主要借助三维激光扫描、倾斜摄影、近景摄影测量等数字化技术实现北京市历史建筑数字化存档。
1.1 三维激光扫描技术
传统的手工测绘难以准确、清晰地表现出历史建筑的现状,三维激光扫描技术的出现为解决这一问题提供了可能。三维激光扫描技术可以精确获取历史建筑的几何和纹理信息,同时可以最大限度地减少测量过程中对历史建筑的直接接触,减少对历史建筑的人为破坏[6]。
将三维激光扫描技术应用于历史建筑保护领域,对历史建筑进行全方位数据扫描,在获取其空间数据的基础上绘制平面图、立面图,构建精细化三维模型,将是今后的发展趋势。
本文主要采用地面式三维激光扫描仪对历史建筑外部的建筑结构进行扫描,获取整个历史建筑立面点云三维信息。
1.2 倾斜摄影测量技术
倾斜摄影测量是通过在一个飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像,获取到丰富的历史建筑顶部及侧视的高分辨率纹理[7]。它不仅能够真实地反映地物情况,高精度地获取物方纹理信息,还可通过先进的定位、融合、建模等技术,生成真实的三维模型[8]。目前倾斜摄影技术已广泛应用于历史建筑测绘。本文主要采用现有北京市下视5 cm倾斜影像数据。
1.3 近景摄影测量技术
近景摄影测量通过拍摄的二维影像重建三维目标,可以在短时间内得到比较。近年来越来越多地被应用于文物保护中。王巍等[9]利用近景摄影测量技术实现了石市竹木雕的三维数字化。蓝萍[10]应用近景摄影测量法实现了广西铜鼓的三维重建。
历史建筑虽然类型多样、规模不一、保存现状不一,但一些具有重要保存价值的历史建筑也保留有精美的砖雕、石雕、木雕等建筑装饰,这些都可以应用近景摄影测量技术得到高精度、高还原度的三维模型。
2 历史建筑数字化工作流程
2.1 技术路线
利用已有符合精度要求的倾斜影像数据,生成历史建筑点云数据,并将影像匹配生成的建筑顶部密集点云与站式三维激光扫描仪采集的历史建筑立面点云数据导入RealWorks软件中对点云数据进行融合处理。首先提取所需要的点云数据,通过裁剪盒裁掉不需要的点云数据,再对点云数据进行取样抽稀,对于测图和三维建模来说,点云密度在1～2 cm即可;然后进行点云去噪与分类,软件自动分类后的点云数据存在错分、少分的情况,需要进行人工编辑,对难以区分的地物进行编辑与修改[11]。经过分类后的点云数据包括建筑点云、地面点云、其他未分类点云,地面和建筑点云最终用于历史建筑物平立面图的绘制和三维模型生产。整体技术路线如图1所示。
图1 技术路线图
2.2 点云数据采集
采用徕卡RTC360智能型三维激光扫描仪进行点云数据采集,依次进行扫描线路设计、点云扫描、点云处理,即可生成真彩色点云数据。
在扫描作业开始之前,需要对作业现场进行充分的了解,可以利用现有的地图资料或影像,进行大致规划[12]。然后现场踏勘,制定扫描设站方案,并形成草图。
对指定区域内地上全息点云数据进行扫描,包括地上各类部件、植被、建筑物、地面等各类数据的点云信息和照片。
根据扫描对象的特点和后期数据处理的需要设定扫描分辨率。分辨率与站间距离应兼顾扫描效果、效率、重叠度与精度,分辨率宜采用中级(6 mm@10 m)或高级(3 mm@10 m),站间距离宜在15 m以内,可结合现场情况适当调整。扫描时每一站均应拍照,最终需提供各站的全景照片。扫描时作业人员应尽量躲避,无法躲避的应站在空旷地带方便后续点云处理。
利用Cyclone FIELD360实时可视化和对齐功能对扫描数据进行处理,实时检查扫描情况和采集数据的质量,并在采集过程中用平板进行预拼接。
2.3 点云数据预处理
将数据导入到REGISTER 360中,对每个项目或点群的点云进行拼接处理。
导入数据后,将会显示在REGISTER 360中创建的连接,根据精度的高低连接显示为红色、黄色或绿色。检查每个连接的对齐状况。当连接误差超出允许偏差时,利用目视对准来进行拼接,分别在俯视图和侧视图将两站数据对齐后,再进行优化处理。检查在REGISTER 360中创建的所有连接,创建环形连接来约束整体点云群,保证精度。添加连接,优化点群拼接质量,提高拼接精度,直到最终生成一个完整闭合的连接。
多站数据经过拼接后得到完整的点云数据,此时的点云数据存在大量重叠区域,会占用系统大量的资源,使得处理速度减慢,还会影响后续建模的效率和质量[13]。因此需要对拼接后的点云数据进行优化,即去除冗余和抽稀简化。将所有的噪点和冗余的数据清理干净,仅保留必要数据。
2.4 纹理拍摄
使用数码单反或微单照相机对历史建筑物进行实地拍照,获取纹理和结构照片。拍照前打印地图或影像图,并进行拍照路线规划。
照片的采集包括历史建筑立面、门、窗、特色材质和装饰细节,拍摄时要记录对应地址门牌和名称。拍摄时要保持画面的整洁,尽量避开行人、车辆、电线等,尽量避免杂物遮挡画面。照片需满足350 dpi分辨率,
大小5 MB以上,像素3 000万以上。
拍摄时要尽量保持正视视角,相机视角合拍摄面的夹角不能小于70°。特殊状况下因为场地限制等原因导致无法正面拍摄时,可采取拍摄部分区域,做扫描式拍摄,要保证拍全,后期可利用photoshop进行照片的合成。
拍摄前,要将相机偏色调整为自然色。拍摄时注意对光线的把握,最好采用顺光或侧向顺光拍摄,逆光拍摄的照片不适宜用作贴图。晴天时要避开早晨或黄昏,此时太阳照射角度过低;阴天时,能见度太低或光线过暗时均不适合拍摄,以确保拍摄效果[14]。
2.5 近景摄影测量
使用近景摄影测量技术,拍摄历史建筑局部细节的全方位多角度彩色照片,通过专用软件计算生成历史建筑局部细节精细三维模型。
拍摄时尽量使用专业相机,尽可能避免产生景深模糊。拍摄区域要确保光照均匀,最好在阴天或遮光板下拍摄,避免强烈的阴影。拍摄时采用三段式拍摄,即横向每15°为一个拍摄点,从俯视、平视、仰视三个方向进行拍摄,对拍摄物进行360°的拍摄,对于细节区域可额外增加一些拍摄,以确保在三维重建的过程中,能够准确还原拍摄物的细节。拍摄完成后,应在现场仔细检查,若有缺失及时补拍。
拍摄好的影像导入Reality Capture软件中进行三维重建。重建前需要仔细检查照片,剔除变形、模糊、失真或错误的照片。软件会自动比对前后照片,还原相机拍摄时的相对位置,并计算出拍摄物体的高精度三维模型。重建生成的高精度模型需要经过减面、展UV和贴图烘焙即可生成内存占用小且高还原度的模型,方便后期的使用。
2.6 三维模型制作
三维数字化模型可以方便地用于研究、传播这些历史建筑的价值,并可以与虚拟现实技术结合,进行虚拟展示[15]。为了保证模型精度,模型必须基于点云数据进行建模,点云建模是基于激光点云数据构建建筑物三维模型,建筑物的空间结构特征通过点云确定。
制作建筑主体结构和具有高辨识度的结构,如台阶、阳台、飘窗、建筑立面较突出的结构。模型不应出现漏缝、废点、重叠面、交叉面等现象且模型所有可视面法线方向向外。
古建类建筑上的挑檐、房檐、房脊制作实体,吻兽使用现场实拍照片制作透明贴图表现,瓦片使用纹理贴图表现;现代类建筑上的附属顶部建筑结构、女儿墙、突出房檐需制作实体。
模型纹理应是建筑的真实纹理,与建筑现状保持一致并真实反映建模物体的颜色、质地和图案等,同一区域同种类物体纹理协调一致。模型纹理贴图尺寸为2的幂次方,贴图格式为JPEG格式。纹理贴图的颜色应贴近真实,明暗过渡自然,在不影响真实表达的原则下,可以对建构筑物外立面上的瑕疵和污渍做适当美化修饰,有限度地使用重复纹理,栏杆和较小的装饰性镂空结构可使用明贴图。
3 应用案例
安化楼,1960年5月竣工,是当时公社化大楼的三大代表之一,是“城市人民公社居民住宅”,是北京最早的“社区会所”,是当时北京最高的摩天大楼。安化楼的数字化可按照第2章所列步骤进行。
采用徕卡RTC360三维激光扫描仪进行点云数据采集,扫描模式选择中精度(6 mm@10 m)和高精度(3 mm@10 m)相结合的方式,环绕建筑外墙架站扫描。安化楼点云数据如图2所示。
图2 安化楼点云数据
从图2可以看出,地面三维激光扫描仪采集得到的点云数据,在建筑物顶部存在扫描盲区。为解决这个问题,需要将倾斜摄影数据(下视5 cm)生成的影像匹配点云与三维激光扫描点云进行数据融合,以得到安化楼完整的点云数据。
将完整的点云数据导入AutoCAD软件中进行平、立面图的绘制(图3)。
(a)平面示意图
(b)北立面图
图3 安化楼平、立面图
将完整的点云数据导入3DsMax软件中进行模型制作,如图4所示。建筑物主体结构基于点云数据进行构建。建筑物的立面及细部纹理采用实拍照片制作,顶部纹理依据倾斜航空影像进行制作,成果模型参考效果如图5所示。
图4 安化楼点云建模过程
图5 安化楼三维模型效果示意
4 结束语
本文探索利用三维激光扫描技术,通过外业数据采集、内业数据处理得到历史建筑立面点云成果,并结合北京市现有倾斜摄影测量成果,将影像匹配生成的密集点云与站式扫描得到的点云数据进行多源数据融合,得到历史建筑完整的点云数据,并根据完整的点云数据绘制历史建筑平、立面图形,进行精细化三维建模,探索出融合倾斜摄影、三维激光扫描多源数据为一体的历史建筑数字化测绘技术路线,为历史建筑建立了宝贵的档案资料,为后续开展历史建筑的保护管理和宣传展示提供数据支撑。目前,由于激光扫描点云和影像匹配点云在精度和数据详细程度方面的不同,在进行多源异构数据融合时还存在可控性偏低、点云分类正确率有待提高等问题需要进一步解决。
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引文格式: 李冬冬. 北京市历史建筑保护数字化技术研究与应用[J].北京测绘,2023,37(6):807-811.
基金项目:国家自然科学基金(42274029)
作者简介:李冬冬(1986—),男,内蒙古通辽人,大学本科,工程师,从事三维激光扫描与城市三维建模相关工作。
E-mail:395885982@qq.com
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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