淺淡三維數字掃描技術應用于歷史建筑的測繪和修復

黃 芳

（景德鎮市不動產登記中心 江西 景德鎮 333000）

1 引言

歷史建筑是人類文化遺產中不可或缺的一部分，它們具有豐富的歷史價值和藝術價值。但由于年代久遠、建筑結構復雜等原因，歷史建筑的測繪和修復工作一直是一個難題。傳統的建筑測繪方法需要大量的人力物力，而且很難達到高精度的要求[1]。因此，尋找一種新的測繪方法是非常必要的。無人機三維數字掃描技術作為新興的測繪手段，具有高精度、高效率、低成本等優點。

2 無人機對歷史建筑三維數字掃描的流程

2.1 規劃飛行路徑

規劃飛行路徑是無人機三維數字掃描技術的關鍵步驟之一，其目的是為了保證掃描結果的全面性，以最大程度地覆蓋建筑物的各個角度，便于獲得高質量的數據。以下是規劃飛行路徑的基本要點：

（1）建筑物形狀和大?。涸谥贫w行路徑時，需要考慮建筑物的形狀和大小，選擇最佳的拍攝角度和高度[2]。通常，較大的建筑物需要更高的飛行高度和更廣的覆蓋范圍，以便完整地捕捉建筑物外觀、位置和頂部結構的細節特征。

（2）航線密度：合理的航線密度可以保證掃描結果的精度和全面性。航線過于稀疏，會導致重疊區域不足或者數據缺失；航線過于密集，則可能會浪費時間和資源。

（3）飛行速度：飛行速度對掃描效率和數據質量有影響。較慢的飛行速度可以提高數據采集的精度和清晰度，但也會增加數據處理的時間和成本。較快的飛行速度可以提高掃描效率，但可能會降低數據質量。

（4）天氣條件：無人機三維數字掃描技術對天氣條件有一定要求。一般而言，天空晴朗、無風或微風的日子是最適合進行建筑物掃描的。遇到陰雨或強風等惡劣天氣，應暫停掃描工作以確保飛行安全。

規劃飛行路徑是無人機三維數字掃描技術中非常重要的一環。只有充分考慮建筑物的實際情況，選定合理的飛行路徑，才能夠獲得高質量的掃描數據，并為后續的數據處理和模型生成奠定基礎。

2.2 進行航空攝影

進行航空攝影是無人機三維數字掃描技術的核心步驟之一，其目的是獲取建筑物的影像數據和三維點云數據。通常情況下，無人機進行航空攝影可以采用垂直拍攝、斜向拍攝和紅外拍攝等多種方式。選擇不同的拍攝方式，可以獲得不同視角下的建筑影像數據，從而提高測量精度和可視化效果。拍攝間距是指相鄰照片之間的重疊部分。為了產生高質量的三維模型，相鄰照片之間需要有適當的重疊，重疊率必須達到30%以上，通常建議達到50%左右[3]。此外，建議無人機采用GPS 導航系統進行定位和控制，以確保飛行路徑的準確性和穩定性[4]。在進行航空攝影時，需要遵守相關法規和安全規范，確保無人機、相機和傳感器等設備的安全。特別是在城市區域或高層建筑附近，需要注意避免與其他飛行物體發生碰撞。只有在正確設置照相機參數、控制飛行姿態和速度、遵守安全規范等前提下，才能夠獲得高質量的建筑影像數據和三維點云數據，并為后續的數據處理和模型生成做好準備。

2.3 數據處理

數據處理是無人機三維數字掃描技術中非常重要的一步，其目的是將航空攝影獲取到的影像數據和三維點云數據轉換為可視化的三維模型。首先需要將航空攝影獲取到的照片、圖像和點云數據導入計算機，存儲在本地或云端數據庫中。在數據準備階段，需要檢查數據質量并進行必要的校正等操作[5]。其次，對于從不同角度拍攝的建筑數據，需要先進行數據配準以確保數據的一致性和連續性。數據配準包括相鄰照片間的匹配、點云間的配準、坐標系轉換等操作，在此基礎上將點云數據進行濾波、分割、重構等操作，生成高精度的三維點云模型。點云處理的目的是去除噪點、填補缺失區域、提高點云密度等[6]。最后，對航空攝影獲得的影像數據進行校正、統計、配準等操作，生成高質量的影像紋理貼圖，將點云數據和影像貼圖結合，借助三維重建軟件生成可視化的三維模型。根據需要，對三維模型進行編輯、修補、精細化設計等操作，以獲得最終的模型效果。

2.4 提取平面圖

通過無人機三維數字掃描技術對歷史建筑進行測繪應用研究，可以生成高精度的三維模型，而在一些需要平面圖的應用場景中，也需要從三維模型中提取出相應的平面圖。首先，用三維建模軟件，將三維模型按照需要的切割線進行分割，生成樓層、房間等區域。在分割好的區域內，提取出每個區域的輪廓線。這一步通?？梢酝ㄟ^邊緣檢測算法來實現[7]。利用輪廓線，將各個區域的平面圖進行拼接。這一步通常需要借助于點云軟件和繪圖軟件及圖像處理軟件等。在完成平面圖的初步生成后，還需要對其進行校正和調整。包括調整比例尺寸、修復缺陷、添加標注等操作。通過無人機三維數字掃描技術生成平面圖，不僅可以提高平面圖的精度和準確性，還可以為后續的應用場景提供基礎數據支持[8]，在歷史建筑文物保護、修復、重建和展示等方面都具有廣泛應用前景。

3 案例分析

3.1 項目概況

景德鎮市作為中國首批歷史文化名城，市政府先后公布了兩批次重要歷史建筑113 棟，劃定了歷史街區6 個，位于景德鎮市陶陽里御窯景區的湖口會館是其中的一處典型代表。為加強歷史建筑保護，延續城市文脈，進一步體現千年瓷都的歷史自覺和文化自信，政府采取了系列先進測繪技術開展數字建檔工作。

湖口會館作為一項文物保護和修復工程，運用了地面三維激光掃描技術配合無人機三維數字掃描技術，提高了文物保護的精度和準確性，同時為后續的修復、重建和展示提供基礎數據支持。湖口會館的測繪主要存在以下幾個問題：

（1）建筑物結構復雜：湖口會館是一座傳統的中式建筑，結構復雜。采用傳統測繪工具難以獲取到精確的建筑信息，而無人機三維數字掃描技術能夠有效地解決這個問題。

（2）傳統測繪方式效率低：傳統的測繪方式需要人工登高、懸垂等操作，不僅費時費力，而且存在安全隱患。使用無人機三維數字掃描技術，可以快速、準確地完成測繪任務，并避免了人身傷害風險。

（3）文物保護需求：湖口會館是一處具有較高文化價值的歷史建筑，需要進行有效地保護和修復。通過無人機三維數字掃描技術對湖口會館進行測繪，可以為后續的文物保護、修復和展示提供基礎數據支持。

（4）維護城市形象：湖口會館所在區域是景德鎮市的重要景點，具有一定的城市形象代表意義。通過無人機三維數字掃描技術對湖口會館進行測繪應用研究，可以提高該地區的景觀質量，增強城市形象的吸引力。

3.2 測繪工作流程

通過無人機三維數字掃描技術對湖口會館進行測繪應用研究的基本步驟如下：

（1）提前勘探，并規劃飛行路徑：在確定使用無人機三維數字掃描技術進行測繪后，需要規劃好航線和制訂飛行計劃。根據湖口會館的實際情況，選擇適當的拍攝角度和高度等參數，設計合理的飛行路徑。湖口會館坐標如表1 所示，湖口會館周圍關系如圖1所示。

圖1 湖口會館周圍關系

表1 湖口會館坐標

（2）進行數據采集：利用無人機在規劃好的飛行路徑上進行航空攝影，獲取湖口會館的影像數據和三維點云數據。在航空攝影過程中，需要注意保證無人機的安全，并確保數據的質量和連續性。湖口會館設計無人機掃描線路如圖2所示。

圖2 無人機掃描線路

（3）數據處理：將航空攝影獲取到的影像數據和三維點云數據導入計算機，進行數據配準、點云處理、影像處理的操作，生成高精度的三維模型。湖口會館無人機點云質量圖如圖3所示。

圖3 無人機點云質量

（4）模型優化和設計：在完成三維模型的基礎構建后，需要對其進行優化和設計。根據湖口會館的實際情況，調整模型比例、增加細節，以獲得更真實、更準確的建筑模型。湖口會館三維模型預覽圖如圖4所示。

圖4 三維模型預覽圖

（5）繪制平面圖：通過在三維模型中提取平面數據，繪制湖口會館的平面圖。湖口會館測繪得到的屋頂平面圖如圖5所示。

4 結束語

無人機三維數字掃描技術是一種非常有效的歷史建筑測繪方法，具有高精度、高效率、低成本等優點，在本次實踐應用中精度達到毫米級，可以為歷史建筑的保護與修復工作提供有力的支持。在工作實踐中，該技術將得到更廣泛的應用，并產生更多的應用價值。