集成激光扫描与无人机航摄的古建筑测图技术研究*

周乐恒，刘伟锌，王兴平，王东水，欧建良

（1.福州大学土木工程学院，福建福州 350108；2.阳光学院土木工程学院，福建福州 350015；3.湖南维纳空间信息技术有限公司，湖南长沙 410082）

我国历史悠久，各种古建筑风格迥异、艺术价值高、分布地域广泛，不同自然环境和不同气候条件造就了各地古建筑独有的特色。如何保护好各地传统古建筑，对讲好中国故事具有重大意义。近年来，国内掀起一股仿古热潮，一些仿古小镇的成功让多地纷纷着手建设“人造古镇”，但是不少仿古小镇脱离本地特色，只是单纯地对典型的中国古建筑进行复制照搬，缺少文化内涵，极容易引起游客的审美疲劳。以三维激光扫描与无人机倾斜航摄相结合空地一体化的测绘技术，可以充分发挥两者的优势，用于古建筑的建模和工程图纸的绘制，帮助建立古建筑的全息档案，深入挖掘古建筑特色，为古建筑的保护和还原提供可靠支持。

本文以广东省珠海市唐家湾镇的会同古巷22号民居古建筑开展实例研究，分析说明本文所研究的空地一体集成测图技术在古建筑保护中的可行性及优势。

1 技术方案研究

1.1 三维激光扫描

三维激光扫描技术是20 世纪90 年代出现的一种非接触的测量技术，具有高精度、高效率、高密度的特点。该技术的工作原理是：激光脉冲发射体发射激光脉冲，根据发射和其返回到仪器的时间差，计算出扫描点与仪器的距离，再根据脉冲激光的角度由三角函数关系得到扫描点在被测物体上的三维坐标[1-2]。工作前先踏勘场地，设计测站点，相邻测站点按一定重叠率对目标物扫描，再对原始点云数据预处理，减小行人、车辆等影响，然后将不同测站点点云数据拼接转换到同一坐标系中，从而实现三维模型构建。

三维激光扫描采集效率高，以丰富的数据实现对目标物体的直观精确重现。与电子全站仪、摄影测量等技术相比，该技术在古建筑测绘工作中受外界环境影响更小，能实现古建筑重要构件及装饰纹理的高精度还原，绘制高质量工程图纸。

1.2 无人机倾斜航摄

倾斜航摄技术同样是近些年来新兴且发展迅速的测绘技术，在工程建设、国土监察、土地规划以及古建筑保护等领域被广泛应用。通过在飞行平台上搭载传感器，从一个垂直和四个倾斜方向以获取丰富的地面物体影像及其纹理，克服了垂直角度拍摄主要反应地物顶面特征而缺少侧面信息带来的局限性，改善了航摄建筑物时墙面变形等问题[3-4]。

进行无人机航摄工作前需要预先制定好航线，对无人机航向、旁向重叠度等进行设定，不合理的航线会对后期模型的精度造成影响。根据预先制定的航线飞行且搭载着传感器的无人机，获取倾斜影像并自动记录相关参数，利用获取的影像数据进行空中三角计算，获取航空影像外方位元素，由影像匹配得到密集点云，帮助构成TIN网后映射纹理，生成三维倾斜模型[5]。

通过专门配套软件，无人机倾斜航摄技术可以实现快速高效的建模，大大减少时间成本，减少高点测量的危险性。且无人机倾斜航摄的三维模型，可以直观地表达出丰富且真实的屋顶信息，建筑外观一目了然，其高精度的特点也使得三维模型可用于测图辅助，解决传统测绘技术难以测量的部分并实现完整制图。

1.3 建模融合与切片制图

模型数据能精确记录空间位置信息，在古建筑修复或重建时用途非常广泛。更重要的是，将数据传输入电脑建立的三维模型，利用Auto CAD 等软件可以从任意视角对任意区域厚度进行裁剪，生成剖面切片进行制图。基于模型的剖面切片，可以绘制出建筑物标准平面图、立面图、剖面图、以及1∶20 甚至1∶1 结构大样图。高精度工程绘图能更清楚的表现建筑物构件尺寸和位置关系，更好地解决传统古建筑缺少基本资料的问题，在古建筑保护、修缮遇到问题时大有用武之地。

1.4 综合技术路线设计

传统测绘技术进行古建筑测绘时，花费大量的人力且有耗时长、不安全、易造成破坏等劣势。当前无人机超低空厘米级航拍技术的成熟，使得三维激光扫描和无人机倾斜航摄在古建筑测图保护中的综合应用成为可能。实际工作中，按设计地面作业线路在建筑物室内外架设激光扫描仪扫描，以无人机按设计贴近绕飞线路做倾斜航摄，获得外业数据后，再综合处理生成三维模型。二维信息提取主要基于三维激光扫描的点云模型进行绘制的剖面图、平面图、立面图、大样图，无人机倾斜模型进行测图辅助，在室内结构受地物遮挡影响较大、建筑特征与表面状况不一致时实地检查。技术流程如图1所示。

图1 综合技术流程图Fig.1 Flow chart of comprehensive technology

集成激光扫描和无人机航摄可以优势互补：（1）以无人机倾斜航摄实现高精度快速大面积测绘，同时解决地面三维激光扫描中屋顶数据缺失的不足；（2）遇到间距小密度大的建筑群，激光扫描点云模型和无人机倾斜模型结合可改善单纯倾斜模型中屋檐部分数据少质量差的问题[6]；（3）三维激光可对建筑内部装饰及重要构件扫描并获得精确数据，克服室内光线不足、难以有效航摄等局限性。

1.5 集成技术应用分析

融合激光扫描与倾斜航摄空地一体建模测图，可在以下几方面用于古建筑保护。

第一，以三维模型和建筑工程图真实还原古建筑现状、各关键构件尺寸与空间分布。如果是缺乏原始设计资料古建筑，本技术成果可以为深挖地方特色、保存古建筑特点提供客观依据。

第二，基于三维激光扫描与无人机倾斜航摄生成的数字三维模型，是古建筑全息档案构建的基础，能真实直观表现古建筑的空间几何结构特征，从而以数据共享方式进行宣传展示，推动中华文化走向世界、各地特色广为人知。

第三，助推建筑业绿色低碳转型，实现特色保护与精准开发并重。以往在“特色古镇、美丽乡村”等开发建设时所采用的大拆大建方式，不但投入经费巨大且不利于环境保护。以本技术提供高精度三维模型及工程图纸为基础，可以“修旧如旧”精准维护翻新、减少不必要拆除破坏、降低施工成本难度，避免仿古重建。

2 试验检验分析

2.1 试验简介

古建筑会同古巷22 号位于广东省珠海市唐家湾镇西南会同村，始建于1732 年，有着典型的岭南传统式建筑风格，是珠海地区保存最完整的近代村庄，保留有百年前的建筑样貌和精美的石雕装饰，有很高的艺术价值和保护意义。

该古建筑地面积约470 m2，为岭南传统民居。课题组采用三维激光扫描与无人机倾斜航摄相结合的空地一体技术，建立古建筑数字化模型，绘制剖面图、平面图、立面图、大样图，以解决传统古建筑基础资料缺失不利于保护修复等问题，为古建筑演变发展、艺术研究等内涵挖掘之类的后期工作创造条件。本次试验主要设备包括法如（FARO）S350 和大疆PHANTOM 4 RTK，相关参数如表1、表2所示。

表1 法如（FARO）S350设备参数Table 1 Equipment parameters of FARO S350

表2 大疆PHANTOM 4 RTK的相机参数Table 2 Camera parameters of PHANTOM 4 RTK

2.2 古建筑室内外综合建模测图展示

试验对象周边建筑物与树木密集，并存在自建夹层等复杂结构，用激光扫描仪地面作业，屋顶出现较明显扫描盲区，如图2 所示。从图3 所示倾斜模型与点云数据对比可知：相关点云数据缺失而无法精确体现古建筑屋顶正脊、垂脊等构造特征（图3a）；无人机倾斜航摄的屋顶模型，构件样式和纹理清晰可辨，但古建筑屋檐下的部分数据质量差(图3b)。此外，密集排列古建筑侧面有门檐窗檐装饰，这些在倾斜模型中缺失较多，因而需两种模式结合才能完整测图。

图2古建筑点云数据Fig.2 Point cloud data of ancient building

图3 倾斜模型与点云数据的屋顶对比Fig.3 Roof comparison between oblique model and point cloud data

课题组以激光扫描的点云数据为基础进行剖面图和室内结构大样图绘制，而古建筑内部石雕、镂空等较精细部分借助实景数据，用Adobe Photoshop 调整尺寸贴合激光点云辅助绘图。该古建筑梁架模型切片和绘制大样图示例见图4。

2.3 精度分析

为检验激光扫描三维点云与无人机航摄倾斜模型融合质量，课题组选择了在两种试验数据中若干典型同名部位进行测量比对，其结果如表3所示。

实验对象均是建筑典型部位，其中最大差绝对值6.1 cm（主屋屋面长度），最小差绝对值0.2 cm（正门门宽），平均差值为2.3 cm。建筑物平面图、立面图、剖面图及大样图等土木工程专业成果中尺寸标注，一般都是精确到0.1 m。因此，本文研究提出的亚厘米级激光点云数据与厘米级无人机倾斜航摄建模相结合，可有效解决古建筑室内外综合建模与工程制图等应用需求。

表3三维激光点云模型与无人机倾斜模型对比Table 3 Comparison between 3D laser point cloud model and UAV oblique model

图4 建筑梁架Fig.4 Building beam frame

3 总结展望

本文提出将三维激光扫描与无人机倾斜航摄综合运用于古建筑保护测量，可以实现较高三维精度和细节完整表现能力，提高工作效率的同时做到安全可靠。以会同古巷22号古建筑为例，实现三维点云数据为主、无人机倾斜模型辅助的方式完成古建筑保护所需平面图立面图剖面图及大样图测制，为挖掘古建筑特色、相应全息档案构建打下基础。

当前，城乡发展进入高质量建设更新的新阶段，正在由大拆大建转为存量提质改造和增量结构调整为主，本文提出的三维激光扫描与无人机倾斜航摄也可以为高质量乡村振兴、城市老旧小区提质改造提供高质量基础数据，而如何在密集建筑与树木遮挡环境下，高质量快速绘制建筑物立面及复杂檐下构件还需要更多研究实验。