無人機攝影三維建模在歷史建筑中的應(yīng)用

陳小杰 CHEN Xiaojie

0 引言

建筑是城市形象和文化的名片，歷史建筑則是城市的歷史印記和文化載體，是每個城市不同發(fā)展階段的獨特標志和縮影。優(yōu)秀歷史建筑是上海彌足珍貴的文化遺產(chǎn)。目前，歷史建筑保護管理面臨巨大挑戰(zhàn)。歷史建筑保護中最小干預原則的要求，使得勘察中獲得歷史建筑精準可靠的數(shù)據(jù)信息及其重要[1-2]。傳統(tǒng)的歷史建筑勘察報告，通常采用文字和圖片結(jié)合的方式來描述歷史建筑的狀況，閱讀者無法快速獲得直觀全面的信息，可能對正確評估歷史建筑的價值并確定其修繕保護方案產(chǎn)生一定影響，若干年后如需再次進行修繕，閱讀歷史勘察報告可能會造成理解偏差。

隨著近年來無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，低空無人機攝影測量技術(shù)推動了測繪技術(shù)的進步。與之前的攝影測量技術(shù)相比，無人機攝影具有操作方便、入門簡單、成本低、效率高、場景真的優(yōu)點。傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)建立在獲得大量地形高程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，并且以紋理貼圖為主要技術(shù)手段，需要太多人工工作量，但無人機三維建模技術(shù)有效避免了這些問題。隨著智慧城市概念的推廣和實踐，也伴隨著無人機技術(shù)手段的進步，高效快速的多旋翼無人機攝影三維建模技術(shù)，在越來越多的城市信息采集中獲得應(yīng)用。

本文根據(jù)無人機攝影測量理念，基于多旋翼單鏡頭無人機模仿傾斜攝影，采用網(wǎng)帶式航線拍攝，對某優(yōu)秀歷史建筑采用Context Capture 軟件進行數(shù)據(jù)處理建模，為今后更多優(yōu)秀歷史建筑的快速數(shù)字化存檔提供方法參考。

1 無人機攝影三維建模技術(shù)

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控裝置和內(nèi)部程序控制裝置操縱的不載人飛行器。與載人飛機相比，無人機體積小、造價低、飛行靈活、對地形環(huán)境要求低。隨著高新技術(shù)在無人機研制上的應(yīng)用，新翼型和新型材料的無人機逐步實現(xiàn)了較長時間的導航。

無人機可實現(xiàn)高分辨率影像的采集。目前，比較主流的三維建模軟件有Bently 公司的Context Capture，Agisoft公司的PhotoScan，瑞士Pix4D 公司的Pix4Dmapper。這 三種軟件各有優(yōu)缺點，PhotoScan 系統(tǒng)輕量，但生成的模型紋理效果不甚理想。Context Capture 生成的模型質(zhì)量最為精細，人工干預工作量較低，但軟件比較復雜。Pix4Dmapper 的各項水平介于兩者之間。三者對比如表1 所示。

表1 建模軟件性能對比表

經(jīng)綜合考慮，本文中案例選擇Context Capture軟件作為處理軟件。Context Capture 是一款功能強大的三維實景建模軟件。借助該軟件，無需昂貴的專業(yè)化設(shè)備，只需要利用普通照片即可快速重建三維模型并保留絕大部分細節(jié)。Context Capture 軟件包括Master（主控臺）、Setting（設(shè)置）、Engine（引擎）、Viewer（瀏覽）等幾部分。

無人機攝影三維建模技術(shù)是通過采集特定地區(qū)圖像，以此獲得該地區(qū)建筑物各方位紋理的技術(shù)。所獲得的圖像資料不僅能反映該建筑物的真實情況，還能對所獲建筑圖像進行處理，生成立體的三維建筑模型[3-4]。無人機攝影三維建模技術(shù)主要分成以下幾個步驟。

（1）數(shù)據(jù)采集。與傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)不同，無人機攝影測量中可以調(diào)整攝像頭角度的功能，避免了垂直攝影無法進行側(cè)面信息采集的缺陷。無人機攝影測量技術(shù)，通過多角度全方位獲取建筑物信息，可以反映出建筑物的三維信息，奠定三維實景建模的基礎(chǔ)。無人機攝影測量時，以無人機飛行平臺為媒介搭載高清相機，配合云臺轉(zhuǎn)動和無人機飛行，獲取目標建筑物的影像資料。在獲取目標建筑物影像資料時，要根據(jù)目標建筑物所處環(huán)境和天氣情況，決定拍攝高度、角度，設(shè)置航線等。影像資料的質(zhì)量直接影響后續(xù)空中三角測量的精度。無人機航拍既可以人工拍攝，條件允許時也可以進行全自動拍攝，可大大提高人工效率，縮短作業(yè)時間。

（2）數(shù)據(jù)處理。通過無人機獲得影像數(shù)據(jù)后，采用Context Capture 軟件進行處理，該軟件人工干預少，建模自動化程度高。處理時，首先，將所得影像資料進行導入并檢查是否完整，并滿足重疊度要求；隨后，為了提供決定定向的控制點，進行空中三角測量，并對其進行解析，即空三計算?？罩腥菧y量是利用影像匹配，確定影像之間的同名成像點以及圖像控制點，通過聯(lián)合平差，得到地面坐標和外方位元素。空中三角計算成功之后，可以進入三維建模。如果失敗，可對影像資料進行重新檢查，決定是否需要刪除部分影像或者進行補拍補充數(shù)據(jù)。空三計算是整個三維建模最重要的步驟，直接決定了最后三維建模的質(zhì)量。

（3）三維建模。建模完成后，檢查完成模型與實際建筑之間是否有失真、丟失結(jié)構(gòu)、破損等問題，可以采用圖像處理軟件進行圖像優(yōu)化。最后在Context Capture 軟件中刪除周邊無關(guān)障礙物進行修模處理。

2 工程概況

某優(yōu)秀歷史建筑建于20 世紀20年代末，為獨立花園洋房，建筑占地約250 m2，建筑面積667 m2，假三層磚木石混合結(jié)構(gòu)，英國鄉(xiāng)村別墅風格（圖1）。

圖1 某優(yōu)秀歷史建筑實景圖

建筑坐北朝南，為不對稱結(jié)構(gòu)。南面2/3 的開間凸出，底層西南角為外凸的三面窗形狀，使采光和通風都處于較佳狀態(tài)，該部分二樓為露臺，連通主臥室。中間底層為雙連拱券窗，到了二層改為平窗；靠東立面略有后退，月臺之后是三扇連續(xù)拱圈的落地窗。屋頂為多坡紅瓦頂，假三層設(shè)計為雙尖頂，各開一扇屋頂窗。北立面臨街，為山墻木架外露，具有英國鄉(xiāng)村住宅的特征。建筑外墻采用拉毛水泥與紅磚相間，造型變化較多。幾十年來，該建筑整棟保存完好，1999 年，荷蘭女王率政府代表團訪問中國，來到上海，在這座建筑物里召開了國際房地產(chǎn)研究和老建筑保護座談會。中外專家濟濟一堂，交流座談。同年，該建筑被公布成為上海市優(yōu)秀歷史建筑，同時為市級文物保護單位。

3 基于無人機攝影的歷史建筑三維建模

3.1 數(shù)據(jù)獲取

無人機收集到的圖像質(zhì)量和前期材料收集的質(zhì)量密切關(guān)聯(lián)。事先進行目標建筑物周邊勘探并設(shè)計航線，選擇合適的航拍參數(shù)。圖像采集采用多旋翼單鏡頭無人機模擬傾斜攝影測量，使用單鏡頭獲取全方位視角。多旋翼單鏡頭無人機采用大疆MINI 2（圖2），關(guān)鍵參數(shù)包括最大飛行速度：16 m/s（運動檔）、10 m/s（普通檔）、6 m/s（平穩(wěn)檔）；懸停精度：垂直±0.1 m（視覺定位正常工作時）、±0.5 m（GPS 正常工作時）；水平±0.3 m（視覺定位正常工作時）、±1.5 m（GPS 正常工作時）；云臺俯仰-110°～ 35°（角度控制精度±0.01°）；鏡頭：視角83°、等效焦距24 mm、光圈：f/2.8、焦點范圍1 m 至無窮遠；有效像素：1 200 萬（分辨率 4:3 寬高比下4 000×3 000，16:9 寬高比下4 000×2 250）；傳感器尺寸：1/2.3 英寸 CMOS。為了使航線覆蓋整個建筑物區(qū)域，采用網(wǎng)帶式航線，航線飛行高度為40～60 m，無人機采用45°～90°俯角來覆蓋所有視角。拍攝中，保證旁向和航向重疊度均為75%[5]。

圖2 本次拍攝使用的無人機

3.2 數(shù)據(jù)處理

對所獲得的所有圖像進行預處理，檢查影響數(shù)據(jù)是否有所缺失，刪除重復的圖像。設(shè)置進行空中三角測量計算的參數(shù)，包括焦距、主點等，采用Context Capture 軟件進行空中三角計算，確定輸出格式、壓縮質(zhì)量等建模結(jié)果參數(shù)，選擇空間參考坐標系，進行三維數(shù)字模型構(gòu)建。完成構(gòu)建后再進行修模，刪除模型中可被刪除的樹木以及附近的其他建筑物。

3.3 成果文件

在建模完成后，獲得了該建筑較為完整的三維建筑模型（圖3）。

由圖3～5 可知，基于無人機攝影三維建模技術(shù)得到的該優(yōu)秀歷史建筑三維模型可以將建筑物的特征立體、真實、完整地表達出來，細節(jié)部分也清晰可見。使用者可以很方便地在Viewer 軟件中統(tǒng)觀全貌，也可以隨意轉(zhuǎn)動放大查看需要仔細查看的部分，猶如身臨其境。從某種意義上來說，因為無人機航拍對于屋頂?shù)拿枘?，模型查看者可獲得比在現(xiàn)場查看更好的體驗。

但從圖3 也可以看到，完成的三維模型中，出現(xiàn)較多遮擋的地方，特別是高大的樹木，枝葉繁茂，細節(jié)眾多，常常會使得被遮擋部分的細節(jié)有些失真。此外，對細小或文理單一的物體建模能力不足，比如二樓的欄桿部分，出現(xiàn)空洞。另外，拍攝時因光照影響，可能使屋頂建模產(chǎn)生一定色差。這些缺點都需要在拍攝時機選擇和修模中進行調(diào)整。

圖3 三維模型鳥瞰圖

4 結(jié)語

圖4 三維模型正立面圖

圖5 三維模型局部細節(jié)圖

保護城市歷史記憶，挖掘城市歷史文脈，是維系現(xiàn)代與歷史的基礎(chǔ)。在日新月異高速發(fā)展的城市化進程中，保護城市歷史記憶尤為重要，對優(yōu)秀歷史建筑的有效保護更是迫在眉睫。數(shù)據(jù)采集是歷史建筑維護和利用的重要步驟，是歷史建筑數(shù)據(jù)化保存的重要環(huán)節(jié)。通過三維實景建模的方法將優(yōu)秀歷史建筑進行保存，可以為后續(xù)的保護修繕和活化利用提供基礎(chǔ)數(shù)字資源，甚至可以進一步用這種方式將歷史建筑現(xiàn)狀呈現(xiàn)在公眾面前，更大范圍地展現(xiàn)城市風貌。

多旋翼無人機機動靈活，起降場地要求不高，小巧易攜帶，組裝方便，操作門檻低，相對成本低廉，克服了之前大飛機航拍的局限性，更適合在建筑密集和高差復雜的城市地區(qū)使用。本文以上海市某優(yōu)秀歷史建筑為例，采用多旋翼無人機攝影三維建模技術(shù)，通過Context Capture 軟件構(gòu)建的三維模型與真實建筑物有著高度一致性。與傳統(tǒng)勘察技術(shù)相比，在三維實景建模中具有自動化程度高、建模速度快、模型逼真的優(yōu)點。無人機攝影三維建模技術(shù)適合在優(yōu)秀歷史建筑的保護中廣泛應(yīng)用。