多摄影测量融合三维激光扫描技术在不可移动文物建筑测绘中的应用

在不可移动文物的保护过程中，构建精确的文物数字模型并开展平立剖测绘建档工作，为文物的保护、展示和修缮等工作提供了重要的数据支撑。近些年的研究和实践表明，单纯运用倾斜和贴近摄影测量或三维激光扫描技术，都存在一定的局限性，不能够完全满足文物保护和测绘建档的相关要求。文中以福建省闽清县不可移动文物测绘建档为例，简单探讨采用多摄影测量技术融合三维激光扫描技术的方法辅助文物保护的测绘模式，以供参考。

不可移动文物是传承中华优秀传统文化的重要载体，因其不可移动且基本长期处于自然环境中，不可避免地会受到自然侵蚀或其他破坏，故文物保护工作任重道远。不同文物的本体结构、材质、构件等各具特色，这对保护工作的数据采集提出了更高的要求。随着测绘技术的发展，基于无人机倾斜和贴近摄影测量以及三维激光扫描技术获取的实景三维模型和点云模型精确详实地记录了不可移动文物的内外空间尺寸和纹理色彩信息，该技术具有精度高、速度快、可量测等优点，同时，对文物及其周边环境的各项参数信息保存完整，相关数据存在可延展性。因此，倾斜和贴近摄影测量以及三维激光扫描技术在不可移动文物保护领域具有重要的应用价值。

多摄影测量以及三维激光扫描技术概述

倾斜和贴近摄影测量技术。近年来，倾斜摄影测量技术呈井喷式发展，突破了航测遥感影像单方面垂直摄影的局限性，其通过多传感器从1个垂直、4个甚至更多倾斜角度进行数据采集，高效、快速地获取丰富的不可移动文物的建筑及其附属数据信息，实现高精度和高分辨率的实景三维模型等系列地理信息产品的生产。

贴近摄影测量是精细化对地观测需求和多旋翼无人机发展结合的产物，其对目标对象表面任意角度贴合飞行以获取亚厘米级分辨率影像，从而进行数据重建，高度弥补了常规倾斜摄影无法达到精度要求的缺陷，能高度还原目标对象精细结构特征，使其纹理更加清晰，模型成果更加立体生动。

三维激光扫描技术。近年来三维激光扫描技术逐渐普及应用，是一种高效率、高精度、非接触式的主动测量技术，可实现面式、体式的多源信息复合获取，从而将三维现实空间数字化。该技术通过向目标发射激光束，监测激光反射后的时间和强度，利用三角测量原理计算目标的三维空间信息。其操作简便、数据获取快速、精度高，可极大提高作业效率。

多源数据技术融合使用

结合倾斜和贴近摄影测量以及三维激光扫描技术的优缺点，借助三种技术手段对不可移动文物进行内外测绘建模，通过数据空间配准、坐标系统统一、点云粗匹配和ICP配准等方式对无人机实景三维模型和真彩色三维点云模型（如图1所示）进行融合，实现优势互补，再基于上述数据对其进行切片使用，配以360全景影像及数码照片，综合绘制不可移动文物的总平面图、平面图、立面图、剖面图和典型构件大样图等。

技术路线及实施

技术路线设计。闽清县不可移动文物测绘建档工作流程主要包括准备工作、基础数据获取、绘制平立剖图件和成果检查与提交四个环节。首先，收集本项目不可移动文物的基础资料并制定详细的作业计划；随后，利用三维激光扫描仪、无人机以及数码相机进行外业数据获取，内业绘图人员根据外业数据采集后生产的三维模型进行平立剖图件的绘制；最后，进行成果的检查与提交。

主要技术方案实施。一是技术准备。利用已有资料及现场情况勘察结果，充分了解作业区域的山体植被、高压铁塔分布和交通条件，并核实相关资料的可靠性。根据测区情况进行航线敷设、测站点选择和扫描路径规划，并检查飞行器、扫描仪各部件及附件齐全、匹配，各部位连接紧密、稳定。同时，检查电池容量和内存容量，确保满足作业范围和作业时间的需要。

二是基础数据获取。采用徕卡RTC360地面三维激光扫描仪（扫描速率200万点/秒，点位精度1.9毫米）和NavVis VLX穿戴式扫描仪（扫描速率2×32万点/秒，点云相对精度8毫米），根据设计的扫描路径获取点云数据。其中，穿戴式扫描仪需以匀速的方式行进，扫描过程中根据现场实际情况调整，以5米距离为间隔同步拍摄全景照片。尽量不要有行人跟随，以免点云模型成果中出现过多人影以及着色错误现象。同时，通过观看仪器中的显示屏，实时查看扫描的完整性与模型拼接的准确性，如发现不完整尽可能采取闭环迂回的形式对缺失区域补充。若相同位置点云出现较大偏差，应及时分析原因并重新扫描。对于建筑物内部结构复杂或者存在精细构件、纹饰等部位，进行多角度、高密度点云采集。

采用大疆Phantom 4 RTK无人机及飞行控制端（POS辅助），进行航线5向飞行与贴近摄影相结合获取影像数据。飞行的航线高度一般不高于60米（百米分辨率为2.74厘米），个别地区根据文物点所在的周边环境情况调整，确保飞行安全。一般旁向重叠率70%，航向重叠率80%，针对石塔或斗拱、雀替、浮雕、墀头等精细部位，采用手动或者环绕飞行的方式进行贴近摄影（如图2所示），保证重建后的实景三维模型高清、精细。

VLX穿戴式扫描仪使用SiteMake软件进行拼接，针对项目情况，点云模型的点间距设置为5毫米，采用“锐利”模型对点云降噪处理，最大限度地保留文物的几何、纹理信息。

基于上述倾斜和贴近摄影测量采集多角度影像进行密集匹配联合空三算法，生成实景高密度彩色点云，构建并优化不规则三角网，自动寻找最佳视角影像完成纹理映射，最终实现实景三维模型重建。得益于贴近摄影的高分辨率影像，添加贴近摄影影像的实景三维模型具有高精度、高分辨率等优点。

三是数据检查。在确保点云数据完整的情况下，通过横纵向的切片，检查点云拼接的准确性，保证点云模型没有出现明显的分层现象，其拓扑关系应完整、正确，不应有漏缝、破面、共面、游离点、线、面等情况。

实景三维模型通过软件自动滤波、人工交互编辑等方法改正自动匹配造成的误差，确保地物表面无明显异常、模型表面无明显孔洞、纹理协调一致无明显变形等。

徕卡RTC360地面三维激光扫描仪数据采集流程包括扫描站选择与路径规划、设站标定与扫描、数据采集与拼接、外业数据检查等步骤。数据处理与分析流程包括点云数据精准配准、去除噪声点、坐标转换、滤波、特征点提取、真彩色点云制作等工作。

四是图件绘制。不可移动文物涉及古建筑、碑刻、遗址、墓葬、石塔、近现代革命遗迹等，不同类型的文物对图件成果的要求略有差别，其中建筑类最为全面。基于真彩色三维点云模型以及无人机实景三维模型，绘制测绘图件，一般包含总平面图、首层（标准层）平面图、立面图、剖面图、典型构件大样图等。

在开始图件绘制前，首先进行多源数据融合，将多视倾斜影像密集匹配点云与激光点云统一空间基准，利用标定控制点对其进行纠正，减弱异源数据间的系统误差影响，再进行去噪、切割处理，保留影像密集匹配点云屋面等相关区域数据。确保点云数据的完整性和拼接准确性，能够满足平立剖的绘制，绘制面的结构必须清晰可见，不存在数据漏洞、分层等现象。使用AutoCAD、天正建筑、CloudWorx点云插件等软件，通过将点云模型进行不同角度和厚度的切片处理，遵循从整体到局部，先控制后细部的原则，依次绘制建筑的总平面图、首层平面图、剖面图、立面图等图件。

在绘制平面图的过程中，首先对距离地面约1.5米处的模型进行裁切，切片厚度约10厘米，该高度及厚度的点云切片可以清楚分辨墙板厚度、柱位、柱径，门窗的位置和大小等结构信息，基于该切片点云完成柱子、墙体、门窗的绘制后，将模型地面以上的房屋结构去除，仅保留地面点云，绘制天井、台阶、铺石等地面元素，并辨别其材质、标高等加以标注。

一般而言，剖面图及立面图的绘制以平面图作为控制尺寸进行。横剖选择以建筑物的中轴线进行剖切，绘制建筑的梁架及可见的室外立面，并区分远近透视效果。纵剖选取建筑物正座正脊进行剖切。立面图绘制则选取建筑物的正立面和保存相对完好的一个侧立面进行。

典型构件大样图的绘制，一般选择雀替、斗拱、柱础、垂花、漏窗、悬鱼等进行，其主要关注细节描绘、尺寸控制等信息。部分作业还需要绘制屋顶平面图，着重体现屋脊的分布与不同建筑单体的屋面组成，并按照排水方向示意瓦垄走向，闽地以燕尾脊居多。

五是精度评估。精度评估主要是在该作业方法与传统方法之间进行。作业成果模型具有真实地理位置信息，同时具有较高且精细的可量测性，以闽清县樟洋村文昌宫为例，结合网络RTK、3″全站仪局部量测尺寸、激光测距仪人工量测尺寸及模型同部位采集尺寸，进行精度统计（如表1、表2所示）。

由表1、表2数据可知，与RTK检查点数据的平面整体误差为0.031米，高程整体误差为0.033米，与全站仪量测数据的整体误差为0.02米，与激光测距仪检核的整体误差为0.027米，完全满足作业要求。

综上所述，文章结合采用无人机倾斜和贴近摄影测量融合三维激光扫描技术的方法获取不可移动文物的实景三维模型及真彩色点云模型，开展平立剖测绘的生产案例，阐述了多技术融合使用的优势，为文物保护工作的顺利开展提供有力支撑，具有一定示范性，值得进一步推广。同时，获取的高密度三维点云、实景三维模型还可为不可移动文物后期进行保护性修缮和重建工作提供重要数据支持，为打造虚拟博物馆和城市元宇宙提供数据基础。