孫 政，曹永康，張瑩瑩

（1. 南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 211800；2. 城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東南大學(xué)），江蘇 南京 210096；3. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；4. 東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 210096）

1 激光掃描技術(shù)的局限

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，地面激光掃描1傳統(tǒng)上激光掃描技術(shù)可以分為空中激光掃描（airborne laser scanning）與地面激光掃描（terrestrial laser scanning）。近年來(lái)出現(xiàn)了可穿戴激光掃描設(shè)備（wearable laser scanning）與手持激光掃描設(shè)備（hand-held laser scanning），但是考慮到成本和掃描范圍，目前地面激光掃描在建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中最為常用，因此下文出現(xiàn)的“激光掃描”均專指地面激光掃描。技術(shù)的應(yīng)用為我國(guó)的建筑史研究[1]和建筑遺產(chǎn)保護(hù)[2]帶來(lái)了新的契機(jī)。然而，這項(xiàng)技術(shù)惠及的建筑遺產(chǎn)在地域上以華北居多、在類型上以殿堂和樓閣居多。可能造成這一現(xiàn)象的原因有很多，如建筑史研究的關(guān)注點(diǎn)、科研資源的分布等，但有一個(gè)原因不能忽視，即建筑遺產(chǎn)測(cè)繪技術(shù)的適用性。建筑遺產(chǎn)測(cè)繪技術(shù)的選擇取決于所需成果形式、所需精度、成本、設(shè)備便攜性、對(duì)象可達(dá)性、外業(yè)效率等因素，目前還沒(méi)有一種單一的技術(shù)可以同時(shí)滿足上述要求，激光掃描也不例外。激光掃描昂貴的成本和較差的便攜性制約了其在我國(guó)更廣闊地域（如西藏）和更多建筑遺產(chǎn)類型（如建筑群、佛塔、壁畫等）中的應(yīng)用。

例如，為了幫助學(xué)生理解“有絲分裂保證了遺傳信息在親代和子代細(xì)胞中的一致性”的重要概念，根據(jù)課標(biāo)要求，需要開(kāi)展“制作和觀察根尖細(xì)胞有絲分裂簡(jiǎn)易裝片或觀察其永久裝片”的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)成預(yù)期效果的關(guān)鍵在于學(xué)生能否從視野中辨別出有絲分裂各時(shí)期的典型圖像，并能正確讀圖。這一問(wèn)題正是該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為此，利用數(shù)字化顯微鏡觀察技術(shù)，同步呈現(xiàn)不同學(xué)生所觀察到的正確典型圖像與錯(cuò)誤圖像，也可利用教師的智能手機(jī)的拍攝功能，同步傳輸、呈現(xiàn)學(xué)生觀察到的典型圖像，為學(xué)生創(chuàng)造豐富的觀察學(xué)習(xí)情境。由于這些圖像來(lái)自學(xué)生，更易吸引學(xué)生的觀察、分析與討論，從而有效支撐學(xué)生生成抽象概念。

2 基于圖像的三維重建

從光學(xué)測(cè)量的角度，激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)光學(xué)傳感器，通過(guò)主動(dòng)發(fā)射并回收激光信號(hào)直接獲得對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，即基于測(cè)距的三維重建（range-based modeling）；與之相對(duì)的另一種途徑采用被動(dòng)光學(xué)傳感器間接獲得三維數(shù)據(jù)——攝影測(cè)量，即基于圖像的三維重建（image-based modeling）[3]。由于工作原理上的互補(bǔ)性（表1），過(guò)去20年間這兩種技術(shù)在大尺度、成果需求復(fù)雜的建筑遺產(chǎn)三維重建中（如龐貝遺址）通常配合使用[4-5]。

21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從海量圖像自動(dòng)重建大尺度三維場(chǎng)景的突破，使傳統(tǒng)的攝影測(cè)量中復(fù)雜的相機(jī)校正、同名點(diǎn)匹配等環(huán)節(jié)全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。這一類技術(shù)被稱為從運(yùn)動(dòng)圖像重建三維場(chǎng)景（structure from motion,SfM）。2011年，美國(guó)華盛頓大學(xué)、微軟等機(jī)構(gòu)的研究者用從互聯(lián)網(wǎng)下載的海量圖像在不到一天的時(shí)間內(nèi)數(shù)字重建了羅馬的主要景點(diǎn)（成果為點(diǎn)云模型）[6]。但是由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的研究偏向自動(dòng)化，該算法的精度在1/100左右[7]（每100 m的誤差為1 m），遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足建筑遺產(chǎn)測(cè)繪的需求。然而，如果能夠結(jié)合攝影測(cè)量在圖像采集、圖像處理、相機(jī)校正等方面提高精度的方法，則這一算法在建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中的前景會(huì)非常可觀。因此，近年來(lái)分析和提高計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域開(kāi)源算法的精度，受到攝影測(cè)量、建筑、考古等領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注，成為建筑遺產(chǎn)測(cè)繪領(lǐng)域的研究前沿[8-10]。

在我國(guó)建筑遺產(chǎn)精細(xì)測(cè)繪中，基于圖像的三維重建起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，尤其是無(wú)人機(jī)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使測(cè)繪尺度從建筑單體拓展到建筑群、甚至城鎮(zhèn)[11]。然而，在既有應(yīng)用中，值得注意的問(wèn)題是：出自建筑學(xué)背景的研究較少、橫向比較不同測(cè)量技術(shù)的研究較少、縱向分析新技術(shù)對(duì)既有工作流程沖擊的研究較少。上述問(wèn)題導(dǎo)致的結(jié)果是：基于圖像的三維重建作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中與其他測(cè)量技術(shù)、既有工作流程的上下游之間存在明顯的脫節(jié)。因此，本文希望通過(guò)3個(gè)案例更加全面地展示該技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用效果，為類似實(shí)踐提供參照。

在自然環(huán)境嚴(yán)峻的地區(qū)，測(cè)繪技術(shù)的便攜性和外業(yè)效率至關(guān)重要。而且，由于綜合采用多種技術(shù)的可行性較低，所用測(cè)繪技術(shù)應(yīng)當(dāng)具有較好的成果多樣性。在西藏江孜一處山頂建筑遺址的測(cè)繪中，基于圖像的三維重建的優(yōu)勢(shì)得到了集中體現(xiàn)，它不僅替代了激光掃描，而且得到了比后者更完整、更豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)。我們?cè)?014年和2015年兩次到達(dá)該遺址，感受到了旅游開(kāi)發(fā)的山雨欲來(lái)。與2014年相比，山腰的一處建筑遺址的地面已經(jīng)被硬化，許多原始信息蕩然無(wú)存。在這樣的情況下，建筑遺產(chǎn)測(cè)繪的意義更顯得重要，無(wú)人機(jī)與基于圖像的三維重建的結(jié)合可為之提供有力的幫助。

3 基于圖像的三維重建在建筑遺產(chǎn)中的應(yīng)用案例

3.1 低成本高精度測(cè)繪

在該項(xiàng)目中，我們用全站儀、無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)在5天時(shí)間內(nèi)完成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，最終生成了建筑室內(nèi)外的點(diǎn)云模型，并最終轉(zhuǎn)化為BIM模型，以期整合包括歷史圖檔、測(cè)量成果在內(nèi)的多維數(shù)據(jù)，為之后的修復(fù)提供數(shù)據(jù)支持（圖1）。首先，采用全站儀建站的方法在建筑室內(nèi)外建立了控制網(wǎng)絡(luò)，分別從各站點(diǎn)測(cè)量事先布置的地面控制點(diǎn)，由于整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)共享同一個(gè)坐標(biāo)系，因此分別從圖像建立的局部模型可以據(jù)此拼合為全局模型；其次，采用無(wú)人機(jī)和單反相機(jī)分別對(duì)建筑的室外和室內(nèi)進(jìn)行圖像采集，圖像采集遵循的原則是：每個(gè)需要的面被至少3張圖像覆蓋，以確保較大的基線與距離的比值（即盡量采用匯聚式的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)、避免發(fā)散式的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)）；最后，圖像和控制點(diǎn)坐標(biāo)分別輸入軟件（Visual SfM和PMVS2），生成三維點(diǎn)云模型。這個(gè)三維模型提供了許多手工測(cè)量無(wú)法得到的數(shù)據(jù)，比如樓板厚度、上下層對(duì)位關(guān)系等，還可以通過(guò)一系列算法（從點(diǎn)云模型生成網(wǎng)格面模型、對(duì)網(wǎng)格面模型進(jìn)行紋理映射）生成屋頂、建筑立面、室內(nèi)天花板的正投影圖。在繪圖階段，我們將點(diǎn)云模型導(dǎo)入Revit，以其為參照，建立了建筑的BIM模型。該模型包含了建筑的實(shí)際狀態(tài)（點(diǎn)云模型）和理想狀態(tài)（根據(jù)歷史圖紙建立的模型），可以逐步加入材料、結(jié)構(gòu)、歷史變化等多維信息。該BIM模型不僅可以作為該建筑的數(shù)據(jù)庫(kù)，還可以作為后續(xù)應(yīng)用的中介，用于變形分析、結(jié)構(gòu)模擬等用途。

激光掃描技術(shù)雖然可以達(dá)到極高的精度、還原豐富的細(xì)節(jié)，但是高昂的成本阻礙了其在預(yù)算有限的建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中的應(yīng)用，這種情況在當(dāng)前我國(guó)非常普遍。在武漢大學(xué)學(xué)生俱樂(lè)部的測(cè)繪中，受制于項(xiàng)目預(yù)算，我們將基于圖像的三維重建作為激光掃描的代替，在精度和成果形式上滿足了測(cè)繪需求：點(diǎn)云模型的平均誤差（與全站儀測(cè)量的控制點(diǎn)比對(duì)）不到3 cm?？紤]到拼合激光掃描的多站點(diǎn)云時(shí)可能產(chǎn)生的誤差，該精度已經(jīng)十分接近激光掃描的精度，足以滿足以繪制二維圖紙為導(dǎo)向的建筑遺產(chǎn)測(cè)繪的需求。

所需測(cè)繪的建筑遺址位于約120 m的山頂。如果采用Leica ScanStaion C10激光掃描儀從山下向山頂掃描，建筑超出了掃描半徑（300 m）；而將幾十千克重的激光掃描儀運(yùn)到山頂也非常困難。由于團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)出現(xiàn)高原反應(yīng)，我們臨時(shí)雇傭了兩名當(dāng)?shù)鼐用癫艑⒃O(shè)備運(yùn)至山頂。然而，從建筑遺址內(nèi)部掃描無(wú)法獲得全貌，需要進(jìn)行多站點(diǎn)拼接，我們沒(méi)有如此充裕的時(shí)間。因此，我們最終利用無(wú)人機(jī)在不到1 h的時(shí)間內(nèi)采集的近百?gòu)垐D像最終生成了三維模型（圖2）。該模型從人眼無(wú)法獲得的角度生成了高分辨率的正投影圖，準(zhǔn)確記錄了建筑遺產(chǎn)的現(xiàn)狀，不僅包含全局信息，還提供了高清的局部信息（圖3），為虛擬修復(fù)、雨水流向模擬等諸多應(yīng)用創(chuàng)造了條件。基于低空?qǐng)D像的三維重建將建筑連同地形環(huán)境一并建模，提供了傳統(tǒng)手工測(cè)繪和激光掃描無(wú)法獲得的地理環(huán)境數(shù)據(jù)（如數(shù)字高程模型），這些數(shù)據(jù)可以在GIS中進(jìn)行整合和分析，以便對(duì)該建筑遺址進(jìn)行更宏觀的記錄和數(shù)據(jù)管理（圖4）。

圖1 從圖像到點(diǎn)云模型到BIM模型的流程

3.2 自然環(huán)境嚴(yán)峻地區(qū)的測(cè)繪

4.1 選地 播前選擇適宜地塊、種子和機(jī)械。選地勢(shì)高，土層深厚，便于排灌，非重茬地種植。當(dāng)土壤含水量低于14%時(shí)，需澆水造墑播種。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理，計(jì)量資料采用(±s)表示，組間兩兩比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn);計(jì)數(shù)資料采用百分率(%)表示，組間比較采用χ2分析;P＜0.05代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

沈陽(yáng)市是遼寧省的省會(huì)，它既是一個(gè)集經(jīng)濟(jì)、文化、政治、交通、旅游于一體聞名遐邇的歷史文化古城，又是一個(gè)工業(yè)重鎮(zhèn)。沈陽(yáng)市位于遼寧省遼河平原中部，地處東經(jīng) 122°25＇9＂-123°48＇24＂ 之間，北緯 41°11＇51＂-43°2＇13＂ 之間，全市總面積逾 12948 平方公里，現(xiàn)轄九大區(qū)，為沈北新區(qū)、于洪區(qū)、皇姑區(qū)、大東區(qū)、沈河區(qū)、東陵區(qū)、和平區(qū)、鐵西區(qū)、蘇家屯區(qū)，市區(qū)面積3495.4平方公里，常住人口約800多萬(wàn)人。地貌類型多樣，以平原為主，山地、丘陵多集中在東南部。

3.3 傾斜檢測(cè)與結(jié)構(gòu)分析

圖2 通過(guò)航拍圖像建立的三維數(shù)字模型（西藏江孜紫金鄉(xiāng)一處建筑遺址）

圖3 從三維模型輸出的高清正投影圖

圖4 在GIS中對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行處理

傳統(tǒng)的墻體傾斜檢測(cè)是從墻體上選擇若干觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的分布規(guī)律分析墻體的傾斜程度。這一方法的缺點(diǎn)在于：準(zhǔn)確性依賴于取樣點(diǎn)的數(shù)量、分布、是否具有代表性，以及能否直觀表達(dá)傾斜情況。而通過(guò)單反相機(jī)采集的圖像，可以高效地建立墻體的三維模型，并通過(guò)全站儀測(cè)量的若干控制點(diǎn)坐標(biāo)，將其準(zhǔn)確定位（該過(guò)程不需要建站，操作非常簡(jiǎn)便）。將其與理想的墻體平面相比較，通過(guò)計(jì)算前者中每個(gè)點(diǎn)距離后者最近點(diǎn)之間的距離，就可以得到墻體的整體傾斜分布（圖5），具有很高的準(zhǔn)確性和直觀性。

圖5 基于圖像的三維重建用于墻體傾斜分析的工作流程

除了靜態(tài)分析，基于圖像的三維重建得到的模型還可以模擬建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)受力情況，進(jìn)行安全評(píng)估。由于包含了建筑遺產(chǎn)的病害、變形、沉降等實(shí)際狀態(tài)，該模型比基于理想幾何體的三維模型更加準(zhǔn)確。我們用該方法模擬了駁船對(duì)一座清代拱橋的撞擊。該橋位于上海青浦，近年來(lái)屢遭駁船撞擊，最近一次的嚴(yán)重撞擊發(fā)生在2014年夏天，導(dǎo)致橋面開(kāi)裂、橋拱變形。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，撞擊的原因是原本滿載的駁船在卸貨返航時(shí)吃水減少，左右船舷非常容易撞到橋體。通過(guò)無(wú)人機(jī)采集的圖像，建立了該橋的三維模型，并用基于Rhino的有限元分析插件Scan and Solve，對(duì)橋的撞擊情況（撞擊位置、持續(xù)時(shí)間、受力類型與大?。┻M(jìn)行模擬，得到危險(xiǎn)程度的分布圖，并模擬了橋體受撞產(chǎn)生的變形（圖6），為修復(fù)和加固提供了參考。盡管該結(jié)構(gòu)模擬的成果不能作為修復(fù)的直接依據(jù)，但該工作的意義在于使用低成本、開(kāi)源的測(cè)量和分析工具完成了傳統(tǒng)上高度依賴專業(yè)技能和軟件的復(fù)雜工作（如既有結(jié)構(gòu)的有限元分析）。隨著相關(guān)數(shù)字軟件的完善，這一工作流程將愈發(fā)具有實(shí)際意義。

4 結(jié)論與展望

圖6 結(jié)構(gòu)變形模擬的工作流程

本文介紹了基于圖像的三維重建在建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中的若干應(yīng)用案例。需要注意的是，盡管該技術(shù)具有很多激光掃描技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)，但是它并不能取代后者。在許多大規(guī)模、復(fù)雜的建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中，這兩種技術(shù)應(yīng)該綜合使用。但是，在一些特殊情況下（預(yù)算有限、偏遠(yuǎn)地區(qū)），該技術(shù)可以作為激光掃描技術(shù)的有效替代，達(dá)到與之相近的測(cè)量精度和相同的成果形式?？傊趫D像的三維技術(shù)可以使建筑遺產(chǎn)數(shù)字化測(cè)繪的范圍大為拓展（表2），在當(dāng)前我國(guó)建筑遺產(chǎn)保護(hù)和古建筑測(cè)繪教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

表2 基于建筑遺產(chǎn)類型的測(cè)繪技術(shù)適用性對(duì)比（激光掃描與基于圖像的三維重建）

在未來(lái)，該技術(shù)在建筑遺產(chǎn)測(cè)繪中的發(fā)展可能來(lái)自以下方面："應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。隨著硬件的發(fā)展（如微型無(wú)人機(jī)的成本降低、4 kB視頻傳感器的普及、全景相機(jī)的應(yīng)用、熱紅外相機(jī)與無(wú)人機(jī)結(jié)合等），基于圖像的三維重建技術(shù)有望用于更多類型的建筑遺產(chǎn)測(cè)繪（如石窟寺）。#與虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality,AR）、3D打印等數(shù)字技術(shù)的結(jié)合。雖然激光掃描技術(shù)同樣可以與上述數(shù)字技術(shù)結(jié)合，但是基于圖像的三維重建可以通過(guò)手機(jī)、單反相機(jī)，以及免費(fèi)的軟件以近乎零成本的方式實(shí)現(xiàn)，可以為建筑遺產(chǎn)的數(shù)字化應(yīng)用提供更多可能。$消失的建筑遺產(chǎn)的三維重建。如果保留有充足的歷史圖像，基于圖像的三維重建可以對(duì)已經(jīng)消失的建筑遺產(chǎn)進(jìn)行三維重建，比如最近上海交通大學(xué)建筑文化遺產(chǎn)研究中心對(duì)上海練塘古鎮(zhèn)數(shù)處被拆建筑的數(shù)字還原。

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