复杂结构历史建筑测绘建档的关键技术研究

摘要：赣州历史建筑风格以以挑檐、斗拱、翘角、飞檐、吊脚为主要特点，结构复杂，测绘难度大。通过对赣州市中心城区范围内公布的历史建筑测绘建档工作探索利用无人机倾斜摄影技术、三维激光扫描技术、全景相机拍摄制作VR技术等多种手段融合来完成历史建筑建档工作，最后通过对三维模型精度验证了此方法可行，在文物保护、历史建筑复建和核心价值要素复原修缮等方面的测绘值得推广应用。

关键词：历史建筑测绘建档三维数字化文物保护

ResearchonKeyTechnologiesofSurveyingandMappingandFilingofComplexStructureHistoricalBuildings

WANGWeizhen

NuclearIndustryGanzhouGeotechnechInvestigationandDesignGroupCo.，Ltd.，Ganzhou，JiangxiProvince，341000China

Abstract：Ganzhou'shistoricalarchitecturestyleischaracterizedbyoverhangingeaves，archofwoodenarchitecture，warpingcorners，cornicesandhangingfeet，whichiscomplexinstructureanddifficultinsurveying andmapping.ThroughexploringthesurveyingandmappingandfilingofhistoricbuildingswithinthecentralurbanareaofGanzhouCity，variousmethodssuchasUAVobliquephotographytechnology，3Dlaserscanningtechnology，panoramiccamerashootingandproductionVRtechnologyarentegratedtocompletethefilingofhistoricalbuildings.Finally，thefeasibilityofthismethodisverifiedbytheaccuracyofthe3Dmodel，anditisworthpromotingandapplyinginthesurveying andmappingofculturalrelicsprotection，restorationofhistoricalbuildingsandrestorationandrepairofcorevalueelements.

KeyWords：Surveyingandmappingofhistoricalbuildings;Filing;3Ddigitization;Culturalrelicsprotection

为贯彻落实习近平总书记视察广州市恩宁路历史文化街区的重要讲话精神和住房城乡建设部印发的相关政策，更好地保护城乡历史文化遗存，促进高质量发展，要求在2021年底前完成历史建筑数据测绘收集入库，并与住房城乡建设部数据库完成联网对接。赣州市对中心城区范围内的历史建筑开展测绘建档工作，其涉及工程领域多、地域覆盖范围广、地理环境复杂、建筑风格独特。因此，通过液压升降云台搭载三维激光扫描仪法如FAROFocus/TrimbleTX5等采集三维激光点云数据，利用大疆精灵PHANTOM4RTK无人机倾斜摄影测量获取航飞正射影像及倾斜模型，利用Insta360Pro2全景相机拍摄获取全景视频和专业相机索尼Alpha7RIII相机拍摄室内外细部照片获取影像数据等多种设备、多种技术手段完成工作，确保获取数据的质量及其完整性。

1项目概述

本次测绘对象为历史建筑，因部分建筑年久失修，存在腐朽、坍塌等现象，故在本次作业过程中须注意人员与仪器的安全问题，在测绘之前，应及时对被测建筑的现实状况摸底排查，保证测绘人员与仪器的安全问题。此外，由于地形环境复杂多变，地面站三维激光扫描仪一般架设在地面上，对于高处的屋顶，被树木和建构筑物遮挡的特征点、面等，由于不通视也给测绘工作造成较大困难。在实际作业过程中，对于多种不确定因素影响，灵活使用倾斜摄影测量、三维激光扫描和全景相机拍摄等方法相结合采集数据，对历史建筑的逐个完整测绘。

2历史建筑模型建立方法

2.1技术路线

本项目采用无人机倾斜摄影测量拍摄多角度影像数据、三维激光扫描采集点云数据和高分辨全景相机及工业相机系统拍摄构件特殊细节影像等技术手段获得基础数据，通过相应软件分别处理并融合来制作实景三维模型、数字正射影像图、数字线划图、点云模型、数字线画图、3DMAX模型、室内VR模型等成果。

2.2地面三维激光扫描点云数据获取

2.2.1点云数据要求

本项目测绘等级为一级，精度要求为≤2@25，设备选用高精度地面站式三维激光扫描仪FAROFocusS150（测距误差：±1mm）对赣州市中心城区历史建筑室内外进行逐测站、全面的三维激光扫描点云采集，通过三维点云的实景复制技术，将单栋历史建筑的空间属性、结构特征用上亿个点真实地还原，从而获取历史建筑的数字化资料。

2.2.2点云数据采集

（1）扫描站布设。扫描站应设置在视野开阔、地面稳定的安全区域；扫描站扫描范围应覆盖整个扫描建筑物，均匀布设，且设站数目尽量减少；建筑物结构复杂、通视困难、遮挡严重等情况应增加扫描站；必要时宜搭设平台架设扫描站[1]。

（2）靶标布设。标靶应在扫描范围内通视性高的位置均匀布置，标靶之间应高低错落；扫描环境光线较暗时应使用标靶球布设；利用标靶进行测站配准时，每一扫描站的标靶个数应不少于4个，相邻两扫描站的公共标靶个数应不少于3个；利用标靶进行坐标系转换时，应围绕整个建筑物均匀布设标靶，且标靶个数应不少于4个。

（3）扫描要求。测量标靶三维坐标时，应在同一控制点上至少观测两回，或在不同控制点上施测两次，平面、高程较差应不大于2cm，取平均值作为最终成果；彩色扫描布设扫描站点应满足相邻扫描站点间有效点云的重叠度不低于30%，困难区域不低于15%的要求[2]。

2.2.3点云数据处理

（1）数据预处理。点云数据在获取过程中，由于设备精度、环境干扰以及物体表面的复杂性等因素，不可避免地会引入数据误差。特别是在尖锐边和边界附近的测量数据，以及可能存在的坏点，它们都可能对后续的曲面重建或模型分析造成不良影响。因此，对原始点云数据进行预处理是至关重要的。

（2）去掉噪声点。噪声点可能是由于扫描设备的误差、环境干扰或物体表面的异常导致的。为了去除这些噪声点，一种常用的方法是将点云数据以图形形式显示在终端上，通过视觉检查来识别并手动删除明显的噪声点。此外，也可以生成曲线或曲面来辅助识别噪声点，并使用半交互半自动的光顺方法进行调整。

（3）数据平滑。数据平滑旨在消除点云中的小波动和噪声，以获得更平滑、更精确的模型，并提高特征提取的效果。在平滑处理过程中，应尽量避免过度平滑导致数据失真，因此，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。常用的平滑方法包括高斯滤波、移动平均滤波和中值滤波等[3]。

（4）拼接与配准。将多个点云数据进行拼接，形成一个整体的模型，即将不同坐标系下的点云数据进行对齐，使其在同一坐标系下重叠。

（5）特征提取与建模。从处理的点云数据中提取特征，如地物的边缘、角落等，然后根据这些特征进行地物建模。

（6）纹理映射。将实地的纹理信息（如颜色）映射到三维模型上，增加模型的真实感。

（7）数据输出。最终将处理好的点云数据和三维模型以不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

2.3倾斜摄影实景三维建模

根据本项目的技术要求和测区地形条件，采用大疆精灵4RTK多旋翼机，实现范围内优于0.05m地面分辨率倾斜摄影，获取高分辨率倾斜航空影像，制作实景三维模型。

因扫描场景限制，对于三维激光点云未能密集捕获到的屋顶、檐口等结构，采用倾斜摄影测量技术对建筑部分区域进行倾斜实景三维建模。

通过无人机数字航空摄影获取测区的高分辨率航空影像，野外实测一定数量的地面控制点进行空中三角测量获取航空影像精确外方位元素，建立立体模型，利用影像匹配技术生成数字表面模型，对航空影像进行微分纠正和映射纹理，生成真三维模型，再通过专业模型处理软件对生成的实景模型进行精修。

2.4全景拍摄及VR模型制作

Insta360Pro2可拍摄8K3D@30fps全景视频，并支持录HDR视频；搭载FlowState超强防抖；配备Farsight图传系统，可实现远距离实时监控；与Adobe合作推出的免拼接插件使后期工作流大幅简化[4]。并使用Insta360Stitcher软件对历史建筑实施后期的全景漫游拼接，从而辅助后期绘图工作以及建筑模型的建模色彩渲染，以便模型更加接近现状的色彩，利用高清3D相机获取历史建筑的室内现状高清照片，通过图形重建室内VR实景模型，真实表现建筑现状，满足历史建筑的宣传和展示（如图1所示）。

2.5根据点云绘制平、立、剖面图

2.5.1点云格式转换

现有的大多数点云处理软件通常可以支持导出点云的通用格式，即文件名后缀为.pts、.las、.xyz等通用点云格式文件。该点云文件可在不同的点云处理软件中读取应用，进行测站拼接、裁剪、测量等应用。在AutoCAD2018平台内，系统的绘制建筑平、立、剖面图前，需要进行点云格式转换，即在AutodeskRecap软件中将各测站点云通用格式文件转换为AutoCAD2018可附着的点云格式：后缀名为.rcs的点云文件，并生成可指向各测站点云文件的点云投影文件，即.rcp文件。转换后的点云文件大小得到了明显压缩，且在Autodesk系列软件中能流畅的进行浏览、裁剪等应用，从而达到绘制平、立、剖面图的参考作用。下图是利用AutodeskRecap平台将各测站点云.pts文件格式转换为.rcs文件[5]。

2.5.2绘制平、立、剖面图

在绘制平、立、剖面图时，应参考点云按照各外立面、各层平面、剖面的顺序依次进行绘制，注意建筑门、窗、台阶、装修等结构在各个图纸上相应的位置、大小表达应一致。

（1）立面点云参照。

绘制外立面图时，需要在建筑俯视图视角选取自墙中轴线向建筑外部裁取外立面点云，如在同一视角存在前后递进关系时，需进行多次裁剪，并根据每次裁剪后的点云绘制外立面。

（2）平面点云参照。

绘制平面图时，需要在建筑正视图视角裁取各层点云，以建筑各层地面到上层楼板为纵向裁剪宽度，裁取后的点云应覆盖到建筑各层全部构建，如梁、柱、楼梯、台阶等，当室内装修配置存在垂直关系难于分辨时，可对各层点云分段进行裁剪。

（3）剖面点云参照。

绘制剖面图时，需要在建筑正视图视角裁取各层点云，一般都是垂直剖面，其剖切位置的选择确实需要根据图纸的用途和设计深度来确定。在平面图上选择剖切位置时，应确保能够全面展示建筑物的全貌和构造特点，楼梯处是最常见的剖切位置。

在具体选择上，剖面应剖在层高、层数不同、内外空间比较复杂的部位，这些位置通常是建筑物结构变化和空间转换的关键节点，通过剖切这些部位，可以更加清晰地展示建筑物的构造特点和空间布局。此外，如果房屋的局部构造有变化，如墙体厚度、楼层高度、结构形式等方面的变化，还需要作局部剖面图来详细展示这些变化。

（4）根据点云绘制建筑图纸。

在三维建模绘图界面，视图坐标系转正后，即可依靠参照点云利用多段线、样条曲线、矩形等绘图工具进行建筑图纸绘制。注意对建筑表面具有前后关系的层级结构、色彩变化处应以多段线方式做位置标注。

3精度质量验证

利用无人机倾斜摄影采集数据来补充和完善初步建立的点云模型，并最终形成历史建筑的三维模型，同时验证该模型的精度。为验证模型数学精度，特选择典型测绘案例一处，在建筑室内外选择明显特征点设置标靶，并编号。使用高精度全站仪对标靶进行三维坐标测量，记录测量数据，对比三维模型与全站仪数据，得出中误差。

点云的数据精确性会以误差报告的形式体现最终测量站点的精度，以本文案例为例，通过点云拼接的方式，拼接的最大偏差3mm，屋顶融合无人机的数据偏差在1～3cm.直接的误差报告显示案例建筑点云数据完好，可以保障后续制图与建模的需求。在项目实施过程中提供电子版或纸质版测量偏差报告。

4结语

历史建筑测绘建档成果数据对进一步研究相关历史建筑的历史环境和演变过程具有重要意义，同时这些测绘成果数据还为历史文化名城规划编制的开展奠定了坚实基础。在复杂结构历史建筑测绘建档工作中，倾斜摄影测量技术、三维激光扫描技术和全景相机VR制作技术发挥着至关重要的作用。这些技术以其高效、精确的特点，能够快速、完整地获取历史建筑的三维点云建模，从而直观展现建筑复杂的结构设计和精细的局部构件。

参考文献：

[1]李阳靖，莫莹菲.多元数字化技术在历史建筑测绘中的应用：以广丰区历史测绘建档项目为例[J].砖瓦，2023（10）：101-103.

[2]吴智丹.传统建筑测绘建档和保护图则编制管理的探索与实践：以荔城区传统建筑设计项目为例[J].福建建筑，2023（2）：30-33.

[3]乔琳茹.历史建筑测绘在北京古建筑保护中的应用[J].北京测绘，2022，36（11）：1587-1593.

[4]何云蕾，李伟，汪帆.种新型测绘技术融合在历史建筑测绘建档中的应用探索[J].安徽地质，2022（S2）：167-170.

[5]张轩，林新峰，林宏剑，等.现代测绘技术用于历史建筑建档探析：以台州市“武圣庙”为例[J].城乡建设，2022（5）：60-63.