Agisoft Photoscan在历史建筑保护中的创新应用和研究——以四川崇州市街子古镇字库塔为例

刘红英，杨春龙，马利亚

(西华大学乡土建筑工作室，四川 成都 610039)

0 引言

建筑是时代的符号，也是一种文化的积淀，人类用自己的血汗和智慧创造了辉煌的古代建筑文明。中国古建筑是世界上历史最悠久、体系最完整的建筑体系，中国历史建筑的发展在一定程度代表了中国传统文化的发展，是中国传统文化的沉淀精粹，也是文化发展的见证者。随着中国城市化的发展，城市历史的痕迹慢慢磨灭，保护这些历史建筑也成为了一件刻不容缓的事情。Photoscan照片建模技术利用快速的照片建模手段能快速全方位地建立虚拟的建筑三维模型，可以提供更多的建筑细节信息。

1 传统建筑保护与测绘技术

中国历史建筑与中国的历史一样深远，可考证的实物至少有7 000年的历史，在灿烂的中华文明中，涌现了许多著名的优秀建筑。这些历史建筑被贴上时代的标签，大多数随着朝代的沉浮，湮灭于历史的风沙，遗留下来的有研究价值的历史建筑少之又少。这些历史建筑在近代的100年里由于战乱、政治变革、经济原因等客观条件，以及人们对历史建筑的价值缺乏广泛的认识，导致了历史建筑受到大面积严重的破坏，以至于当回过头想对其采取措施对其加以维护时往往为时过晚。因此，中国现代历史建筑保护工作是一项紧迫艰巨的任务，所面临的难题除了拯救建筑物的行为本身，还牵扯到诸如社会因素、公众意识和资金筹备等多方面的因素。

传统建筑的保护与修复是建立在拥有完整的强大的数据基础上的，因此通过测绘去保存建筑的原始数据是传统建筑保护中重要的一环。随着科学技术的进步，传统的测绘技术已经无法满足人们数据记录的需求。古代传统测绘技术在历史建筑的测绘方面一般需要有建筑物的真实尺寸各个结构构件和各组成部分的实际尺寸整体与各组成部分的真实比例关系等数据作为基础。这些数据记录手段无法再现历史建筑的原始状态，这样就造成了一些三维数据的丢失。传统测绘技术耗费时间长、人工成本高、容易出现细节纰漏，Photoscan照片建模技术正好可以克服这些缺点。

2 Photoscan与无人机技术优势

当今数据化时代，利用三维建模技术对历史建筑进行数据化储存已经成为了可能，但传统建模方法因为高昂的设备费用和复杂的操作方法并不适合在测绘现场使用。所以人们需要能快速建立并储存三维图形的三维建模技术，Photoscan便符合这个条件。

Photoscan三维建模有很大的优点，具体体现在以下4个方面。

1)节省时间减少工作量。

2)对测量人员的专业性要求不高。只需懂得简单的拍摄技巧以及后期电脑处理步骤，不需要多强的建模能力。

3)能对各种形状、状态和尺寸的建筑进行快速建模。

4)不需要昂贵的专业的辅助建模机器，一般情况下只需要普通的数码相机配合三脚架使用就可以，减少前期测量的投资成本。

无人机技术加入使photoscan照片建模技术更是如虎添翼，为古建筑保护人员全方位、角度观察认知和分析古建筑提供可能，同时也能最大限度地保存古建筑周围的环境资料。利用无人机测绘人员还可以到达古建筑中人难以到达的地方进行拍照测绘，可以真实地记录大量的保存测绘时的原始信息，更完整地去展现古建筑的整体情况。

3 无人机和Photoscan技术在历史建筑保护中的应用

3.1 项目背景

本项目位于四川省崇州市街子古镇，字库塔建于清道光年间，用石条、石墩和青砖建成。塔高15 m。塔呈六方体形，分5层，最上面的4层外墙刻有“白蛇传”等壁画。四川崇州市街子古镇字库塔至今保存完好，成为古镇的一道景观(见图1)。

图1 四川崇州市街子古镇字库塔鸟瞰图

3.2 Photoscan在历史建筑保护中的实际操作与应用

对于结构复杂，精度要求较高的历史建筑进行测绘时，传统人工测绘方式不仅耗费大量的人力、财力和时间，效果也往往不是很理想，而三维建模技术的出现大大解决了这个问题。下面以四川崇州市街子古镇字库塔项目为例进行具体的操作。

1)获取图像：为了后期得到的模型效果更好，在拍摄照片的时候尽量选择分辨率较高的相机进行拍摄，拍摄的图片与相邻的图片要保证至少60%的重合率，方便后期软件的识别处理。

2)导入图像：首先打开Photoscan软件，在左侧工作区点击“添加堆块” “添加堆块”相当于新建了一个项目。再点击右上角菜单栏“工作流程”-“添加照片”-选择要进行拼接的照片。

3)照片对齐(见图2)：点击“工作流程”-“对齐照片”-精度选择“高”-成对预选选择“通用”-点击“确认”，软件会根据航片坐标，高程信息，相似度自动排列照片。在这个阶段Photoscan搜索有关照片和匹配他们的共同点，以及它发现每个画面的摄像机的位置和改进相机标定参数。最后形成一个稀疏的点云和一组相机位置。

4)生成密集点云(见图3)：点击“工作流程”-“建立密集点云”-根据需要选择质量，质量越高，耗时越长，当然最后的成像效果也就越好。密集点云的建立，它是基于估计摄像机的位置和图片本身来建立密集的点云。密集的点云可以被编辑和分类，然后可以被导出或者进一步生成3d网格模型。

图2 照片对齐

图3 密集点云图

5)生成网格(见图4)：点击“工作流程”-“生成网格”，表面模型选择“任意”，源数据选择“密集点云”，面数根据成像质量选择，本项目选择为“高”。Photoscan基于密集的点云重建三维多边形网格来表示物体表面。另外它有一个方法仅仅基于稀疏点云的点云可以生成快速几何图形。建立网格后，可能根据一些需要对其进行编辑。

图4 网格图

6)生成纹理(见图5)：点击“工作流程”-“生成纹理”，映射模式选择“正射影像”，混合模式选择“镶嵌”，纹理大小选择“4096”。 纹理指的是三维模型的表面贴图， Photoscan不仅能够重建出模型，还可以将纹理信息转换成二维图像，配合重建模型输出到常用三维软件。

图5 纹理图

Photoscan的信息模型不仅是一个建筑建造模型信息，同时也可以对资源信息的整合提供更加高效的技术手段，为历史建筑的信息进行保护。

4 结语

照片建模技术出来之后解决了许多的测绘难题，为数据信息的搜集提供了更简便的方式，其建模效果展示也十分全面，丰富了数据信息库，在建筑基因的保存上功劳卓著。与航拍技术结合，制作出历史建筑高精度真实三维图形，能解决传统拍摄技术所不能展现整体情况的问题。随着照片建模技术的不断发展，鉴于其对数据采集的高效性、简便的操作性以及快速建立历史建筑三维数据模型的能力，在历史建筑保护与更新中将有巨大的应用前景。