三维激光点云联合无人机影像的古建筑重建

张文春，范洪洋，刘永吉，林 楠，张海明

(1. 吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林 长春 130118； 2. 吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130026)

中国古建筑被人们喻为“矗立在中华大地上的史书”，以其独具特色的建筑风格而备受关注[1-2]。近些年来，对古建筑的保护工作虽然在不断开展，但却多为传统方式。由于古建筑本身存在易损坏、不稳定等特点，在施测过程中，往往会造成不可逆的毁灭性破坏[3-4]。因此，探索出一套对古建筑“零破坏”的保护施测方案，刻不容缓。国内外的许多专家学者都曾试图通过新型的测量手段对古建筑进行重建，其中文献[5]利用三维激光扫描仪和红外热像仪对位于Cosenza的教堂和修道院进行扫描并创建模型，得出一种针对古建筑保护的综合方案。文献[6]通过快速得到古建筑三视图，在结合古建筑先验知识的情况下，提出利用点云重建建筑投影正向设计出古建筑模型的思想。文献[7]利用点云进行逆向建模，通过量取特征线、特征面的角度和尺寸等信息，最后通过正向设计得到古建筑模型。上述实例虽然都创建了古建筑的模型，正向或逆向得到了二维设计图纸，但都存在着一些问题。例如，建模精度难以满足室内外一体化的要求，点云的“空洞”区(如屋顶部分)模型和图纸精度较低等。本文以哈尔滨红霞街99号外侨私邸为依托，综合运用三维激光扫描、无人机航测、高精度正射影像绘图等技术，提出一种高效、实用的图纸复原及模型创建的研究方案，是古建筑重建的一种新思路，对古建筑保护有着重要的价值。

1 数据获取与处理

1.1 数据获取

本试验采用德国Z+F IMAGER 5010C三维激光扫描仪对古建筑室内外进行扫描，为了保证点云数据的完整及绘图与建模的精度，首先对古建筑进行踏勘环视，规划出室内外最佳扫描路线，保证站站间重叠度在10%以上，测量距离不超过15 m，开启全景拍照模式对古建筑进行拍照，最终获得102站扫描数据。室内、室外扫描站位置如图1、图2所示。顾及点云数据内业测站配准的需要，在扫描的同时绘制各扫描站位置关系图、室内外衔接关系草图、不同楼层间贯通关系图及仪器异常参数等，最后对点云数据的“空洞区”(点云数据缺失)进行记录和标注。本试验采用的无人机为精灵Phantom 3 Advanced无人机，通过倾斜摄影的方式，获取古建筑楼顶、各立面高清航拍图，利用筛选和分类后的影像图来弥补点云数据的不足。拍照过程采用多角度手动拍照模式，照片最大分辨率4000×3000像素，拍摄距离小于20 m。无人机拍摄的楼顶与西立面如图3、图4所示。

1.2 数据预处理

本文采用最邻近迭代配准(iterative closest point，ICP)算法完成测站的配准工作，ICP算法是一个迭代优化的过程，通过不断对变换矩阵进行优化，最终得到最优变换矩阵R和T，使得多次迭代后得到的目标函数最小，即

(1)

多次迭代后，计算前后两次迭代结果误差ε，若满足要求则停止迭代，若不满足则重复迭代[4]。

(2)

2 古建筑重建

2.1 创建正射影像

在点云数据预处理的基础上，对古建筑的各侧面、剖面、细部结构等进行点云正射影像的创建。正射影像的创建是通过设框选拟创建点云影像的区域，将区域内的点作法平面的正射投影，得到基于法平面的灰度图如图7所示。通过逐层、逐立面、逐细部创建的方式得到绘制古建筑平、立、剖面图及创建模型所需的所有图像如图8所示。

2.2 绘制古建筑平、立、剖面图及三维模型

本试验基于Autodesk CAD平台，利用绘制完成的正射影像描绘出古建筑的平、立、剖面图。对于点云数据缺失、正射影像不清晰的部位则通过无人机影像对其进行补绘。绘制过程严格按照《混凝土结构施工图》(11G101)、《民用建筑设计通则》等相关规范进行绘制[9]。以绘制完成的二维图纸为基准，配合无人机影像及点云数据完成对古建筑三维模型的创建。东、南、西、北立面图如图9所示，剖面图如图10所示，一层平面图如图11所示，三维模型如图12所示。

2.3 精度分析

表1 图纸精度分析 mm

3 结 语

本文以哈尔滨红霞街99号外侨私邸为例，详细阐述了基于三维激光扫描技术和无人机航测技术的古建筑重建过程，为古建筑的重建提供了新的研究思路。研究得出：①采用三维激光点云数据与无人机影像结合的方法，避免了传统测量手段对古建筑的“二次伤害”，以数字化三维模型的形式和AutoCAD格式的平、立、剖面图形式能更精确地再现、记录、重建古建筑。②基于创建完成的古建筑三维模型，可通过对墙体、门、窗等构件尺寸数据的调用，实现古建筑保护过程中的全生命周期管理，对古建筑的保护及重建有重要意义。