1、68 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期一种融合多源数据的古建筑精细重建方法张 旭1,李新锋1,王胜骞1,高 远1,侯 轶1,马淑贤2(1.山东正元数字城市建设有限公司,山东 烟台 264670;2.山金设计咨询有限公司,山东 烟台 264000)摘要:本文以解决古建筑结构复杂,单一技术无法实现其精细重建为出发点,提出一种融合多源数据的古建筑重建方法。首先将激光点云、近景摄影及倾斜摄影测量技术进行融合处理,然后经基准统一、点云特征点提取、空间坐标转化等完成局部精细化重建,最后对场景中色彩单一的结构,引入空地一体单体化技术进行修
2、饰重建。试验结果表明,该方法可生成精度高、结构精细的古建筑三维模型,为古建筑精重建提供一种新思路。关键词:古建筑;多源数据;融合处理;单体化中图分类号:P237文献标识码:AA fine reconstruction method of ancient buildings by integrating multi-source dataZhang Xu1,Li Xinfeng1,Wang Shengqian1,Gao Yuan1,Hou Yi1,Ma Shuxian2(1.Shandong Zhengyuan Digital City Construction Co.,Ltd,Yantai 2
3、64670,China;2.Shandong Gold Group Yantai Design&Research Engineering Co.,Ltd,Yantai 264000,China)Abstract:This paper proposes a reconstruction method of ancient buildings that integrates multi-source data to solve the complex structure of ancient buildings,which cannot be achieved by a single techno
4、logy.First,the laser point cloud,close-up photography and oblique photogrammetry technology are fused,and then the local refined reconstruction is completed through the unification of benchmarks,the extraction of point cloud feature points,and the transformation of spatial coordinates.Finally,the si
5、ngle color structure in the scene is introduced into the open space,by modification and reconstruction with one-piece monomerization technology.The experimental results show that this method can generate 3D models of ancient buildings with high precision and fine structure,and provides a new idea fo
6、r the precise reconstruction of ancient buildings.Key words:ancient building;multi-source data;fusion processing;singularization收稿日期:2022-01-22;修订日期:2022-02-23作者简介:张旭(1992-),男(汉族),山东阳谷人,硕士,工程师.0引言近年来,古建筑测绘已由传统的二维测绘延伸至三维测绘,而古建筑三维重建是建筑部件测绘的基础。随着测绘地理信息高新技术的不断发展,激光扫描、近景摄影测量、倾斜摄影测量等技术已广泛应用于三维重建领域中。古建筑以其结
7、构的独特性及所处地形的复杂性为特点,单一技术很难实现建筑对象的精细化重建。激光扫描技术以其非接触性、精度高、效率快等优点,可快速获取被测建筑的三维坐标,但在空间狭小、结构复杂的建筑区域存在一定的局限性;倾斜摄影测量技术可获取被测对象的多角度纹理影像,该方法顶部视角区域模型结构精细高、纹理真实,但是在弱纹理或盲区部分结构扭曲拉花严重,重建效果差;近景摄影测量通过高重叠、高分辨率影像实现细小复杂对象的精细三维重建,而对于面积较大的建筑群重建存在一定的缺陷。综上,国内外学者对多源融合技术在三维重建中进行了广泛的研究工作。徐光禹等采用地面激光点云+空地影像融合建模,将几何与纹理信息互补,从而达到精细重
8、建的目的1,但未考虑单一色彩结构的重建问题;何士伟等将三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术相结合,通过迭代最近点算法完成两数据的配准2;何原荣等通过联合三维激光扫描2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying69 与倾斜摄影测量技术,充分结合两种技术的优势,利用特征点匹配实现异源数据的配准融合3;杨常红等利用倾斜摄影测量与全要素地形图数据及普查信息探索了一套面向全要素实景模型生产的技术方法4;段平等通过 UAV 影像生成点云,然后将生成的影 像 点 云 与 点 云 数 据 进 行 配 准 构 建 三 维 模型5;丁影等提出一种空间平面约束
9、的绝对定向方法,利用水平面和铅垂面的空间约束来确定立体模型的旋转角,从而确定模型比例尺6;张文春等通过三维激光扫描仪和无人机获取古建筑的点云及影像数据,利用点云数据生成正射影像并绘制线画图,并创建高精度三维模型7;荣延祥等通过扫描影像完成两期激光点云数据的粗配准,然后以中心约束条件的 ICP 算法完成精配准8;刘洋等通过自主飞行+手动多角度拍照的三维建模方法,通过空三及密集匹配,获得古建筑特征点的三维坐标9。但是,上述文献涉及复杂古建筑重建的研究相对较少。鉴于此,本文利用各技术手段中的优势,取长补短,将倾斜摄影测量技术、近景摄影测量及激光扫描技术进行数据融合,以全野外测量作为空间基准,对点云数
10、据进行特征点提取、坐标统一实现整体场景的三维重建及局部场景的高精细重建,而对古建筑中色彩单一的结构部分(如廊柱等),应用空地一体单体化技术进行局部修饰重建,以甘煕宅地为例进行技术验证,在模型的细节、精度等方面进行对比分析,建模成果精度及模型效果均满足应用需求。1多源数据融合技术1.1技术路线建筑要素是三维重建中的难点,特别是在古建筑的结构重建工作中。为达到古建筑群精细化重建目的,本文在前端结合多种数据采集的手段,获取不同尺度的几何与纹理信息;在后端结合近景、倾斜、点云等多种数据进行融合处理,总体技术方案如图 1 所示。1.2绝对定向三维激光扫描仪获取的点云数据是以仪器中心为坐标轴心的局部坐标;
11、倾斜摄影测量获取的影像中心姿态线元素是以大地坐标为基准的经纬度坐标;而近景影像获取的是无姿态自由坐标系。因此,在多源数据的融合重建中坐标系的统一是至关重要的一部分。本文以罗德里格矩阵为转换模型,采用最小二乘法为计算方法,实现多源数据坐标高精度的统一。其计算过程为:图 1技术路线图 Fig.1Technology roadmap三维坐标系统变换在不考虑尺度缩放的前提下是一种刚性变换,转换公式为10:XYZ=RXpYpZp+BXBYBZ(1)其中,R 为三个角度组成的旋转矩阵;BXBYBZ 为平移参数;XYZ 为目标坐标系下的三维坐标;XpYpZp 为源坐标点在原坐标系下的三维坐标。两个坐标系统之
12、间的转换实际就是确定 3 个角度和平移参数,因此,采用罗德里格矩阵确定旋转矩阵,旋转矩阵通过反对称矩阵表达为:R=(1+S)(1-S)-1(2)S=0-c-bc0-aba0(3)其中 a,b,c 为独立参数。则罗德里格矩阵可进一步表示为:R=11+a2+b2+c21+a2-b2-c2-2c-2ab-2b+2ac2c-2ab1-a2+b2-c2-2a-2bc2b+2ac2a-2bc1-a2-b2+c2(4)采用最小二乘法求解转换参数,对公式(1)进行线性化,建立误差迭代方程。在此由 n 对公共点构建 n 个误差方程:70 工程勘察Geotechnical Investigation&Survey
13、ing2023 年第 3 期v=Ax-lx=(BTPB)-1(BTPl)(5)其中,l 为常数项;A 为系数矩阵;x=a b c BX BY BZ。1.3融合重建将倾斜摄影测量采集的空中视角影像与地面近景影像进行空中三角测量,恢复每张影像在场景中的位置与姿态,空三平差以共线方程为数学模型,如式(6)所示。空中三角测量在计算时,特别对于近景影像摄影倾角大,重叠度高,影像尺度差异较大,需要多视几何的处理能力,这使得多源数据的空三处理异于常规航空摄影测量的处理方式。x=-fa1(X-X0)+b1(Y-Y0)+c1(Z-Z0)a3(X-X0)+b3(Y-Y0)+c3(Z-Z0)y=-fa2(X-X0)
14、+b2(Y-Y0)+c2(Z-Z0)a3(X-X0)+b3(Y-Y0)+c3(Z-Z0)(6)其中,(x,y)表示像平面直角坐标系下的像点坐标;(X0,Y0,Z0)表示多角度纹理影像摄影中心的空间坐标;(X,Y,Z)为像控点坐标;f 为相机焦距;(ai,bi,ci)表示由像片的角元素,构成的方向余弦。本文选用支持无需设置初始值,无须相机检校,同 时 支 持 多 尺 度 影 像 的 光 束 法 平 差 算 法Metashape 多视建模系统求解每张影像的位置与姿态。将非同源空三融合,根据每张影像的外方位元素进行多视角密集匹配,生成高精度密集点云。2试验结果及分析甘熙宅第位于南京市秦淮区中山南路南
15、捕厅 15号,始建于清嘉庆年间,俗称“九十九间半”。以甘煕宅地为试点,按照本文所述方法对甘煕宅地及其建控区域进行精细化三维重建,获取园区内部细节。2.1多源数据获取利用无人机倾斜摄影测量技术,通过无人机搭载多镜头传感器,在空中多角度采集甘煕宅地。其中影像大小为 60004000、下视焦距 25mm、斜视焦距 35mm。为增加甘煕宅地的纹理细节信息,采用“井”字形高低错 落飞行,航高 分 别 为 50m、70m,重叠度航向 80%、旁向 70%。影像数量 为7982 张,通过在空中对甘煕宅地的采集可获取测区内的顶部纹理数据。利用 FARO Focus3D X330 三维激光扫描对甘煕宅第内的重点
16、区域永恭堂进行点云数据获取。为了确保永恭堂建筑局部细节的完整性,根据建筑布局及本体细节复杂程度进行扫描仪站点布设,共 11个站点,其中外部 9 个、内部 2 个。因甘煕宅地相邻建筑物间较为密集,因此各扫描站点之间的重叠度不得低于 50%,平均点间距优于 10mm。在数据采集时,特别是永恭堂及其周边区域,无人机在空中航拍获取影像时,古建筑檐口及其以下区域存在视角盲区,且因周边建筑物较为密集,导致永恭堂立面纹理信息较弱。因此,利用近景摄影测量技术对永恭堂立面纹理进行补拍,采用索尼A7RII 相机,像素 4200 万,焦距 35mm,近景序列影像重叠度在 85%以上,影像分辨率优于 1mm。考虑到不同数据源坐标系统的一致性,采用全野外测量法,通过全站仪获取标靶中心点的空间坐标。以标靶点的空间坐标为基准,将点云数据、近景数据进行空间坐标转化,完成基准统一。2.2多源数据融合将获取的甘煕宅地空中视角多角度纹理影像及局部永恭堂近景影像、激光点云等数据进行融合处理。以 2.1 节中全野外测量的标靶中心点坐标为空间基准,在扫描点云中进行特征提取,获取分布均匀的 4 个特征点坐标。对点云数据进行罗德里格