在不可移動(dòng)文物的保護(hù)過(guò)程中，構(gòu)建精確的文物數(shù)字模型并開(kāi)展平立剖測(cè)繪建檔工作，為文物的保護(hù)、展示和修繕等工作提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。近些年的研究和實(shí)踐表明，單純運(yùn)用傾斜和貼近攝影測(cè)量或三維激光掃描技術(shù)，都存在一定的局限性，不能夠完全滿(mǎn)足文物保護(hù)和測(cè)繪建檔的相關(guān)要求。文中以福建省閩清縣不可移動(dòng)文物測(cè)繪建檔為例，簡(jiǎn)單探討采用多攝影測(cè)量技術(shù)融合三維激光掃描技術(shù)的方法輔助文物保護(hù)的測(cè)繪模式，以供參考。

不可移動(dòng)文物是傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的重要載體，因其不可移動(dòng)且基本長(zhǎng)期處于自然環(huán)境中，不可避免地會(huì)受到自然侵蝕或其他破壞，故文物保護(hù)工作任重道遠(yuǎn)。不同文物的本體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、構(gòu)件等各具特色，這對(duì)保護(hù)工作的數(shù)據(jù)采集提出了更高的要求。隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)人機(jī)傾斜和貼近攝影測(cè)量以及三維激光掃描技術(shù)獲取的實(shí)景三維模型和點(diǎn)云模型精確詳實(shí)地記錄了不可移動(dòng)文物的內(nèi)外空間尺寸和紋理色彩信息，該技術(shù)具有精度高、速度快、可量測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)文物及其周邊環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)信息保存完整，相關(guān)數(shù)據(jù)存在可延展性。因此，傾斜和貼近攝影測(cè)量以及三維激光掃描技術(shù)在不可移動(dòng)文物保護(hù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

多攝影測(cè)量以及三維激光掃描技術(shù)概述

傾斜和貼近攝影測(cè)量技術(shù)。近年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)呈井噴式發(fā)展，突破了航測(cè)遙感影像單方面垂直攝影的局限性，其通過(guò)多傳感器從1個(gè)垂直、4個(gè)甚至更多傾斜角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，高效、快速地獲取豐富的不可移動(dòng)文物的建筑及其附屬數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)高精度和高分辨率的實(shí)景三維模型等系列地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)。

貼近攝影測(cè)量是精細(xì)化對(duì)地觀測(cè)需求和多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展結(jié)合的產(chǎn)物，其對(duì)目標(biāo)對(duì)象表面任意角度貼合飛行以獲取亞厘米級(jí)分辨率影像，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)重建，高度彌補(bǔ)了常規(guī)傾斜攝影無(wú)法達(dá)到精度要求的缺陷，能高度還原目標(biāo)對(duì)象精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，使其紋理更加清晰，模型成果更加立體生動(dòng)。

三維激光掃描技術(shù)。近年來(lái)三維激光掃描技術(shù)逐漸普及應(yīng)用，是一種高效率、高精度、非接觸式的主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)面式、體式的多源信息復(fù)合獲取，從而將三維現(xiàn)實(shí)空間數(shù)字化。該技術(shù)通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射激光束，監(jiān)測(cè)激光反射后的時(shí)間和強(qiáng)度，利用三角測(cè)量原理計(jì)算目標(biāo)的三維空間信息。其操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)獲取快速、精度高，可極大提高作業(yè)效率。

多源數(shù)據(jù)技術(shù)融合使用

結(jié)合傾斜和貼近攝影測(cè)量以及三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，借助三種技術(shù)手段對(duì)不可移動(dòng)文物進(jìn)行內(nèi)外測(cè)繪建模，通過(guò)數(shù)據(jù)空間配準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一、點(diǎn)云粗匹配和ICP配準(zhǔn)等方式對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)景三維模型和真彩色三維點(diǎn)云模型（如圖1所示）進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，再基于上述數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行切片使用，配以360全景影像及數(shù)碼照片，綜合繪制不可移動(dòng)文物的總平面圖、平面圖、立面圖、剖面圖和典型構(gòu)件大樣圖等。

技術(shù)路線及實(shí)施

技術(shù)路線設(shè)計(jì)。閩清縣不可移動(dòng)文物測(cè)繪建檔工作流程主要包括準(zhǔn)備工作、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取、繪制平立剖圖件和成果檢查與提交四個(gè)環(huán)節(jié)。首先，收集本項(xiàng)目不可移動(dòng)文物的基礎(chǔ)資料并制定詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃；隨后，利用三維激光掃描儀、無(wú)人機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，內(nèi)業(yè)繪圖人員根據(jù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集后生產(chǎn)的三維模型進(jìn)行平立剖圖件的繪制；最后，進(jìn)行成果的檢查與提交。

主要技術(shù)方案實(shí)施。一是技術(shù)準(zhǔn)備。利用已有資料及現(xiàn)場(chǎng)情況勘察結(jié)果，充分了解作業(yè)區(qū)域的山體植被、高壓鐵塔分布和交通條件，并核實(shí)相關(guān)資料的可靠性。根據(jù)測(cè)區(qū)情況進(jìn)行航線敷設(shè)、測(cè)站點(diǎn)選擇和掃描路徑規(guī)劃，并檢查飛行器、掃描儀各部件及附件齊全、匹配，各部位連接緊密、穩(wěn)定。同時(shí)，檢查電池容量和內(nèi)存容量，確保滿(mǎn)足作業(yè)范圍和作業(yè)時(shí)間的需要。

二是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。采用徠卡RTC360地面三維激光掃描儀（掃描速率200萬(wàn)點(diǎn)/秒，點(diǎn)位精度1.9毫米）和NavVis VLX穿戴式掃描儀（掃描速率2×32萬(wàn)點(diǎn)/秒，點(diǎn)云相對(duì)精度8毫米），根據(jù)設(shè)計(jì)的掃描路徑獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，穿戴式掃描儀需以勻速的方式行進(jìn)，掃描過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整，以5米距離為間隔同步拍攝全景照片。盡量不要有行人跟隨，以免點(diǎn)云模型成果中出現(xiàn)過(guò)多人影以及著色錯(cuò)誤現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)觀看儀器中的顯示屏，實(shí)時(shí)查看掃描的完整性與模型拼接的準(zhǔn)確性，如發(fā)現(xiàn)不完整盡可能采取閉環(huán)迂回的形式對(duì)缺失區(qū)域補(bǔ)充。若相同位置點(diǎn)云出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)及時(shí)分析原因并重新掃描。對(duì)于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者存在精細(xì)構(gòu)件、紋飾等部位，進(jìn)行多角度、高密度點(diǎn)云采集。

采用大疆Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)及飛行控制端（POS輔助），進(jìn)行航線5向飛行與貼近攝影相結(jié)合獲取影像數(shù)據(jù)。飛行的航線高度一般不高于60米（百米分辨率為2.74厘米），個(gè)別地區(qū)根據(jù)文物點(diǎn)所在的周邊環(huán)境情況調(diào)整，確保飛行安全。一般旁向重疊率70%，航向重疊率80%，針對(duì)石塔或斗拱、雀替、浮雕、墀頭等精細(xì)部位，采用手動(dòng)或者環(huán)繞飛行的方式進(jìn)行貼近攝影（如圖2所示），保證重建后的實(shí)景三維模型高清、精細(xì)。

VLX穿戴式掃描儀使用SiteMake軟件進(jìn)行拼接，針對(duì)項(xiàng)目情況，點(diǎn)云模型的點(diǎn)間距設(shè)置為5毫米，采用“銳利”模型對(duì)點(diǎn)云降噪處理，最大限度地保留文物的幾何、紋理信息。

基于上述傾斜和貼近攝影測(cè)量采集多角度影像進(jìn)行密集匹配聯(lián)合空三算法，生成實(shí)景高密度彩色點(diǎn)云，構(gòu)建并優(yōu)化不規(guī)則三角網(wǎng)，自動(dòng)尋找最佳視角影像完成紋理映射，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型重建。得益于貼近攝影的高分辨率影像，添加貼近攝影影像的實(shí)景三維模型具有高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

三是數(shù)據(jù)檢查。在確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整的情況下，通過(guò)橫縱向的切片，檢查點(diǎn)云拼接的準(zhǔn)確性，保證點(diǎn)云模型沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，其拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)完整、正確，不應(yīng)有漏縫、破面、共面、游離點(diǎn)、線、面等情況。

實(shí)景三維模型通過(guò)軟件自動(dòng)濾波、人工交互編輯等方法改正自動(dòng)匹配造成的誤差，確保地物表面無(wú)明顯異常、模型表面無(wú)明顯孔洞、紋理協(xié)調(diào)一致無(wú)明顯變形等。

徠卡RTC360地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集流程包括掃描站選擇與路徑規(guī)劃、設(shè)站標(biāo)定與掃描、數(shù)據(jù)采集與拼接、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查等步驟。數(shù)據(jù)處理與分析流程包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)配準(zhǔn)、去除噪聲點(diǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、濾波、特征點(diǎn)提取、真彩色點(diǎn)云制作等工作。

四是圖件繪制。不可移動(dòng)文物涉及古建筑、碑刻、遺址、墓葬、石塔、近現(xiàn)代革命遺跡等，不同類(lèi)型的文物對(duì)圖件成果的要求略有差別，其中建筑類(lèi)最為全面。基于真彩色三維點(diǎn)云模型以及無(wú)人機(jī)實(shí)景三維模型，繪制測(cè)繪圖件，一般包含總平面圖、首層（標(biāo)準(zhǔn)層）平面圖、立面圖、剖面圖、典型構(gòu)件大樣圖等。

在開(kāi)始圖件繪制前，首先進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，將多視傾斜影像密集匹配點(diǎn)云與激光點(diǎn)云統(tǒng)一空間基準(zhǔn)，利用標(biāo)定控制點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行糾正，減弱異源數(shù)據(jù)間的系統(tǒng)誤差影響，再進(jìn)行去噪、切割處理，保留影像密集匹配點(diǎn)云屋面等相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)。確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性和拼接準(zhǔn)確性，能夠滿(mǎn)足平立剖的繪制，繪制面的結(jié)構(gòu)必須清晰可見(jiàn)，不存在數(shù)據(jù)漏洞、分層等現(xiàn)象。使用AutoCAD、天正建筑、CloudWorx點(diǎn)云插件等軟件，通過(guò)將點(diǎn)云模型進(jìn)行不同角度和厚度的切片處理，遵循從整體到局部，先控制后細(xì)部的原則，依次繪制建筑的總平面圖、首層平面圖、剖面圖、立面圖等圖件。

在繪制平面圖的過(guò)程中，首先對(duì)距離地面約1.5米處的模型進(jìn)行裁切，切片厚度約10厘米，該高度及厚度的點(diǎn)云切片可以清楚分辨墻板厚度、柱位、柱徑，門(mén)窗的位置和大小等結(jié)構(gòu)信息，基于該切片點(diǎn)云完成柱子、墻體、門(mén)窗的繪制后，將模型地面以上的房屋結(jié)構(gòu)去除，僅保留地面點(diǎn)云，繪制天井、臺(tái)階、鋪石等地面元素，并辨別其材質(zhì)、標(biāo)高等加以標(biāo)注。

一般而言，剖面圖及立面圖的繪制以平面圖作為控制尺寸進(jìn)行。橫剖選擇以建筑物的中軸線進(jìn)行剖切，繪制建筑的梁架及可見(jiàn)的室外立面，并區(qū)分遠(yuǎn)近透視效果?？v剖選取建筑物正座正脊進(jìn)行剖切。立面圖繪制則選取建筑物的正立面和保存相對(duì)完好的一個(gè)側(cè)立面進(jìn)行。

典型構(gòu)件大樣圖的繪制，一般選擇雀替、斗拱、柱礎(chǔ)、垂花、漏窗、懸魚(yú)等進(jìn)行，其主要關(guān)注細(xì)節(jié)描繪、尺寸控制等信息。部分作業(yè)還需要繪制屋頂平面圖，著重體現(xiàn)屋脊的分布與不同建筑單體的屋面組成，并按照排水方向示意瓦壟走向，閩地以燕尾脊居多。

五是精度評(píng)估。精度評(píng)估主要是在該作業(yè)方法與傳統(tǒng)方法之間進(jìn)行。作業(yè)成果模型具有真實(shí)地理位置信息，同時(shí)具有較高且精細(xì)的可量測(cè)性，以閩清縣樟洋村文昌宮為例，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)RTK、3″全站儀局部量測(cè)尺寸、激光測(cè)距儀人工量測(cè)尺寸及模型同部位采集尺寸，進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)（如表1、表2所示）。

由表1、表2數(shù)據(jù)可知，與RTK檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)的平面整體誤差為0.031米，高程整體誤差為0.033米，與全站儀量測(cè)數(shù)據(jù)的整體誤差為0.02米，與激光測(cè)距儀檢核的整體誤差為0.027米，完全滿(mǎn)足作業(yè)要求。

綜上所述，文章結(jié)合采用無(wú)人機(jī)傾斜和貼近攝影測(cè)量融合三維激光掃描技術(shù)的方法獲取不可移動(dòng)文物的實(shí)景三維模型及真彩色點(diǎn)云模型，開(kāi)展平立剖測(cè)繪的生產(chǎn)案例，闡述了多技術(shù)融合使用的優(yōu)勢(shì)，為文物保護(hù)工作的順利開(kāi)展提供有力支撐，具有一定示范性，值得進(jìn)一步推廣。同時(shí)，獲取的高密度三維點(diǎn)云、實(shí)景三維模型還可為不可移動(dòng)文物后期進(jìn)行保護(hù)性修繕和重建工作提供重要數(shù)據(jù)支持，為打造虛擬博物館和城市元宇宙提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。