影像RTK助力歷史建筑保護(hù)，記錄歷史，傳承文明，精細(xì)化建模，讓歷史建筑“活”起來(lái)
發(fā)布時(shí)間：2022-10-19 09:34:35
歷史建筑是人類(lèi)物質(zhì)文明和精神文明的產(chǎn)物，是人類(lèi)歷史的見(jiàn)證留存。由于自然地理氣候等原因，歷史建筑逐漸破敗消亡，保護(hù)歷史建筑傳承歷史刻不容緩。近年來(lái)，通過(guò)實(shí)景三維技術(shù)對(duì)歷史建筑進(jìn)行精細(xì)化重建，能夠有效的實(shí)現(xiàn)文物全方位的、立體化的數(shù)字化管理存檔，有利于形成文物數(shù)字治理新格局。中海達(dá)影像RTK助力歷史建筑保護(hù)，記錄歷史，傳承文明，精細(xì)化建模，讓歷史建筑“活”起來(lái)！
項(xiàng)目背景
本項(xiàng)目對(duì)兩處故居進(jìn)行了精細(xì)化三維模型的生產(chǎn)，一處是黃興故居，二處是許光達(dá)故居。其中，黃興故居建于清同治初年，是偉大的辛亥革命元?jiǎng)S興的故居，現(xiàn)為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，占地面積約6.45畝;許光達(dá)故居建于清光緒三十四年，是中國(guó)人民解放軍開(kāi)國(guó)大將、軍事家許光達(dá)的故居，現(xiàn)為第五批湖南省愛(ài)國(guó)主義教育基地，占地面積約1.62畝。
根據(jù)傳統(tǒng)建筑的特點(diǎn)與實(shí)際需求，項(xiàng)目要求生成具備高分辨率和高精細(xì)度(分辨率應(yīng)在1cm內(nèi))的建筑實(shí)景模型。同時(shí)，建筑的細(xì)部構(gòu)造，特別是立面、檐下的建筑要素(如斗拱、立柱、挑檐等)、文化要素(如楹聯(lián)、牌匾、裝飾等)均應(yīng)清晰展現(xiàn)。
黃興故居
許光達(dá)故居
痛點(diǎn)分析
傳統(tǒng)三維建模多采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模，但由于以下難點(diǎn)，僅靠無(wú)人機(jī)建模遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足上述項(xiàng)目需求：
一、角度、距離等原因，拍攝的立面紋理不夠精細(xì);
二、由于傳統(tǒng)建筑具有較寬的屋檐，斗拱、牌匾等檐下建筑紋理無(wú)法拍攝到;
三、建筑周?chē)苑N有茂密的樹(shù)木，在樹(shù)木的遮擋下，無(wú)人機(jī)無(wú)法采集到建筑立面的紋理。
因此，滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖需要的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，無(wú)法滿(mǎn)足建筑精細(xì)建模的項(xiàng)目需求。為彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建模方法的缺陷，我們通常采用以下方法加以補(bǔ)充：
一是手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)對(duì)建筑立面和細(xì)部進(jìn)行補(bǔ)拍，這種方法只適用于高大建筑且建筑周邊有足夠凈空的情況，本項(xiàng)目拍攝的故居只有一層，加上旁邊有高大樹(shù)木，該方法實(shí)施有較大安全風(fēng)險(xiǎn)，不宜使用;
二是地面上人工持普通相機(jī)對(duì)建筑立面和細(xì)部進(jìn)行補(bǔ)拍，這種方法比較適合民居建筑，但是由于普通相機(jī)照片不帶有精確的POS位置數(shù)據(jù)，且與航測(cè)照片缺乏有效的分層與重疊，后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)，與航測(cè)照片融合空三建模操作會(huì)非常繁瑣，而且普通相機(jī)與航測(cè)相機(jī)還存在較大差異(分辨率與CMOS像點(diǎn)尺寸等)。
實(shí)施方案
針對(duì)項(xiàng)目痛點(diǎn)，項(xiàng)目采用了中海達(dá)影像RTK V5(下稱(chēng)中海達(dá)影像RTK)+無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的方案進(jìn)行精細(xì)化三維模型的生產(chǎn)。其中，空中利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集屋頂和立面的影像，地面使用中海達(dá)影像RTK針對(duì)屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期內(nèi)業(yè)分別進(jìn)行空三，然后直接合并空三結(jié)果進(jìn)行三維建模。
空地融合建模技術(shù)路線圖
這套方案擁有兩大優(yōu)勢(shì)，一是中海達(dá)影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的影像RTK，它最大的特點(diǎn)就是拍攝的影像都帶有準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)(RTK級(jí)別的精度);二是無(wú)人機(jī)影像和地面影像均具有相同坐標(biāo)系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)空三計(jì)算時(shí)，無(wú)需通過(guò)設(shè)置連接點(diǎn)或者像控點(diǎn)來(lái)融合空中影像和地面影像，內(nèi)業(yè)操作變繁為簡(jiǎn)，極大減輕了內(nèi)業(yè)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
中海達(dá)影像小碟RTK V5
???
項(xiàng)目?jī)?nèi)外業(yè)實(shí)施
外業(yè)實(shí)施
(1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國(guó)內(nèi)某品牌無(wú)人機(jī)，采用傾斜攝影航拍。
(2)影像RTK地面近景攝影
對(duì)需要重點(diǎn)采集的建筑立面，以及被樹(shù)木遮擋的墻面，使用中海達(dá)影像RTK進(jìn)行近景攝影補(bǔ)拍。
作業(yè)人員使用中海達(dá)影像RTK對(duì)黃興故居進(jìn)行近景拍攝
拍攝方法一般以一個(gè)立面為對(duì)象，進(jìn)行相鄰有重疊、機(jī)位有遠(yuǎn)近、視角可傾斜的拍攝。
在外業(yè)實(shí)施過(guò)程中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影和中海達(dá)影像RTK地面近景攝影補(bǔ)拍時(shí)，必須采用相同坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。本項(xiàng)目使用中國(guó)移動(dòng)CORS基站，國(guó)家2000坐標(biāo)系，大地高。經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)的作業(yè)，兩個(gè)故居順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理
將無(wú)人機(jī)采集的航攝照片與中海達(dá)影像RTK地面采集的建筑近景照片各自進(jìn)行空三處理，最后再合并所有空三結(jié)果進(jìn)行三維建模。
中海達(dá)影像RTK單獨(dú)空三結(jié)果(黃興故居院門(mén)正立面)
中海達(dá)影像RTK合并空三結(jié)果(黃興故居院門(mén)正立面)
空三結(jié)果合并圖(許光達(dá)故居)
???
成果展示
通過(guò)生成的三維模型可以看到，采用中海達(dá)影像RTK在地面補(bǔ)拍的照片，極大地改善了建筑立面的紋理效果，并補(bǔ)充了無(wú)人機(jī)傾斜攝影缺失的檐下構(gòu)件和樹(shù)木遮擋缺失導(dǎo)致的建筑模型拉花空洞等問(wèn)題。
黃興故居三維模型整體效果圖
許光達(dá)故居三維模型整體效果圖
通過(guò)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維模型成果對(duì)比，此次生成的三維模型能清晰的展現(xiàn)建筑的細(xì)部構(gòu)造，無(wú)論是立面、檐下、樹(shù)下的建筑要素，還是建筑配套的文化要素均能得到精細(xì)化的展示，滿(mǎn)足了項(xiàng)目的需求。
▲黃興故居正立面模型對(duì)比
▲黃興故居屋后被樹(shù)木遮擋部分的模型對(duì)比
▲許光達(dá)故居讓銜碑模型對(duì)比
項(xiàng)目總結(jié)
通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，可以得出以下結(jié)論：
(1)使用中海達(dá)影像RTK在地面進(jìn)行補(bǔ)拍的同時(shí)，可以與無(wú)人機(jī)航拍協(xié)同作業(yè)，兩個(gè)小時(shí)完成占地總面積8.07畝的兩個(gè)故居外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率高;
(2)中海達(dá)影像RTK拍攝的照片帶有POS數(shù)據(jù)，且與無(wú)人機(jī)航空照片具有相同的坐標(biāo)系，內(nèi)業(yè)建模時(shí)無(wú)需使用連接點(diǎn)，可以直接合并空三成果建模，簡(jiǎn)化了內(nèi)業(yè)操作流程，減少了內(nèi)業(yè)工作量，提高了內(nèi)業(yè)處理效率;
(3)無(wú)人機(jī)和中海達(dá)影像RTK兩者相關(guān)參數(shù)接近，影像分辨率差異小，建模融合性強(qiáng)，生成的三維模型自然、精細(xì);
(4)采用中海達(dá)影像RTK在地面補(bǔ)拍的照片，有效補(bǔ)充和改善了建筑局部細(xì)節(jié)、紋理，解決了屋檐下和被樹(shù)木遮擋的建筑紋理獲取難題。
素材來(lái)源：湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋?qū)W院無(wú)人機(jī)工作室和建筑工程學(xué)院
文章內(nèi)容來(lái)源：中海達(dá)小碟
項(xiàng)目背景
本項(xiàng)目對(duì)兩處故居進(jìn)行了精細(xì)化三維模型的生產(chǎn)，一處是黃興故居，二處是許光達(dá)故居。其中，黃興故居建于清同治初年，是偉大的辛亥革命元?jiǎng)S興的故居，現(xiàn)為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，占地面積約6.45畝;許光達(dá)故居建于清光緒三十四年，是中國(guó)人民解放軍開(kāi)國(guó)大將、軍事家許光達(dá)的故居，現(xiàn)為第五批湖南省愛(ài)國(guó)主義教育基地，占地面積約1.62畝。
根據(jù)傳統(tǒng)建筑的特點(diǎn)與實(shí)際需求，項(xiàng)目要求生成具備高分辨率和高精細(xì)度(分辨率應(yīng)在1cm內(nèi))的建筑實(shí)景模型。同時(shí)，建筑的細(xì)部構(gòu)造，特別是立面、檐下的建筑要素(如斗拱、立柱、挑檐等)、文化要素(如楹聯(lián)、牌匾、裝飾等)均應(yīng)清晰展現(xiàn)。
黃興故居
許光達(dá)故居
痛點(diǎn)分析
傳統(tǒng)三維建模多采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模，但由于以下難點(diǎn)，僅靠無(wú)人機(jī)建模遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足上述項(xiàng)目需求：
一、角度、距離等原因，拍攝的立面紋理不夠精細(xì);
二、由于傳統(tǒng)建筑具有較寬的屋檐，斗拱、牌匾等檐下建筑紋理無(wú)法拍攝到;
三、建筑周?chē)苑N有茂密的樹(shù)木，在樹(shù)木的遮擋下，無(wú)人機(jī)無(wú)法采集到建筑立面的紋理。
因此，滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖需要的無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，無(wú)法滿(mǎn)足建筑精細(xì)建模的項(xiàng)目需求。為彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建模方法的缺陷，我們通常采用以下方法加以補(bǔ)充：
一是手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)對(duì)建筑立面和細(xì)部進(jìn)行補(bǔ)拍，這種方法只適用于高大建筑且建筑周邊有足夠凈空的情況，本項(xiàng)目拍攝的故居只有一層，加上旁邊有高大樹(shù)木，該方法實(shí)施有較大安全風(fēng)險(xiǎn)，不宜使用;
二是地面上人工持普通相機(jī)對(duì)建筑立面和細(xì)部進(jìn)行補(bǔ)拍，這種方法比較適合民居建筑，但是由于普通相機(jī)照片不帶有精確的POS位置數(shù)據(jù)，且與航測(cè)照片缺乏有效的分層與重疊，后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)，與航測(cè)照片融合空三建模操作會(huì)非常繁瑣，而且普通相機(jī)與航測(cè)相機(jī)還存在較大差異(分辨率與CMOS像點(diǎn)尺寸等)。
實(shí)施方案
針對(duì)項(xiàng)目痛點(diǎn)，項(xiàng)目采用了中海達(dá)影像RTK V5(下稱(chēng)中海達(dá)影像RTK)+無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的方案進(jìn)行精細(xì)化三維模型的生產(chǎn)。其中，空中利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集屋頂和立面的影像，地面使用中海達(dá)影像RTK針對(duì)屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期內(nèi)業(yè)分別進(jìn)行空三，然后直接合并空三結(jié)果進(jìn)行三維建模。
空地融合建模技術(shù)路線圖
這套方案擁有兩大優(yōu)勢(shì)，一是中海達(dá)影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的影像RTK，它最大的特點(diǎn)就是拍攝的影像都帶有準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)(RTK級(jí)別的精度);二是無(wú)人機(jī)影像和地面影像均具有相同坐標(biāo)系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)空三計(jì)算時(shí)，無(wú)需通過(guò)設(shè)置連接點(diǎn)或者像控點(diǎn)來(lái)融合空中影像和地面影像，內(nèi)業(yè)操作變繁為簡(jiǎn)，極大減輕了內(nèi)業(yè)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
中海達(dá)影像小碟RTK V5
???
項(xiàng)目?jī)?nèi)外業(yè)實(shí)施
外業(yè)實(shí)施
(1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國(guó)內(nèi)某品牌無(wú)人機(jī)，采用傾斜攝影航拍。
(2)影像RTK地面近景攝影
對(duì)需要重點(diǎn)采集的建筑立面，以及被樹(shù)木遮擋的墻面，使用中海達(dá)影像RTK進(jìn)行近景攝影補(bǔ)拍。
作業(yè)人員使用中海達(dá)影像RTK對(duì)黃興故居進(jìn)行近景拍攝
拍攝方法一般以一個(gè)立面為對(duì)象，進(jìn)行相鄰有重疊、機(jī)位有遠(yuǎn)近、視角可傾斜的拍攝。
在外業(yè)實(shí)施過(guò)程中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影和中海達(dá)影像RTK地面近景攝影補(bǔ)拍時(shí)，必須采用相同坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。本項(xiàng)目使用中國(guó)移動(dòng)CORS基站，國(guó)家2000坐標(biāo)系，大地高。經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)的作業(yè)，兩個(gè)故居順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理
將無(wú)人機(jī)采集的航攝照片與中海達(dá)影像RTK地面采集的建筑近景照片各自進(jìn)行空三處理，最后再合并所有空三結(jié)果進(jìn)行三維建模。
中海達(dá)影像RTK單獨(dú)空三結(jié)果(黃興故居院門(mén)正立面)
中海達(dá)影像RTK合并空三結(jié)果(黃興故居院門(mén)正立面)
空三結(jié)果合并圖(許光達(dá)故居)
???
成果展示
通過(guò)生成的三維模型可以看到，采用中海達(dá)影像RTK在地面補(bǔ)拍的照片，極大地改善了建筑立面的紋理效果，并補(bǔ)充了無(wú)人機(jī)傾斜攝影缺失的檐下構(gòu)件和樹(shù)木遮擋缺失導(dǎo)致的建筑模型拉花空洞等問(wèn)題。
黃興故居三維模型整體效果圖
許光達(dá)故居三維模型整體效果圖
通過(guò)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維模型成果對(duì)比，此次生成的三維模型能清晰的展現(xiàn)建筑的細(xì)部構(gòu)造，無(wú)論是立面、檐下、樹(shù)下的建筑要素，還是建筑配套的文化要素均能得到精細(xì)化的展示，滿(mǎn)足了項(xiàng)目的需求。
▲黃興故居正立面模型對(duì)比
(左側(cè)展示的是融合無(wú)人機(jī)與中海達(dá)影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維模型成果)
▲黃興故居屋后被樹(shù)木遮擋部分的模型對(duì)比
(左側(cè)展示的是融合無(wú)人機(jī)與中海達(dá)影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維模型成果)
▲許光達(dá)故居讓銜碑模型對(duì)比
(左側(cè)展示的是融合無(wú)人機(jī)與中海達(dá)影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維模型成果)
項(xiàng)目總結(jié)
通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，可以得出以下結(jié)論：
(1)使用中海達(dá)影像RTK在地面進(jìn)行補(bǔ)拍的同時(shí)，可以與無(wú)人機(jī)航拍協(xié)同作業(yè)，兩個(gè)小時(shí)完成占地總面積8.07畝的兩個(gè)故居外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率高;
(2)中海達(dá)影像RTK拍攝的照片帶有POS數(shù)據(jù)，且與無(wú)人機(jī)航空照片具有相同的坐標(biāo)系，內(nèi)業(yè)建模時(shí)無(wú)需使用連接點(diǎn)，可以直接合并空三成果建模，簡(jiǎn)化了內(nèi)業(yè)操作流程，減少了內(nèi)業(yè)工作量，提高了內(nèi)業(yè)處理效率;
(3)無(wú)人機(jī)和中海達(dá)影像RTK兩者相關(guān)參數(shù)接近，影像分辨率差異小，建模融合性強(qiáng)，生成的三維模型自然、精細(xì);
(4)采用中海達(dá)影像RTK在地面補(bǔ)拍的照片，有效補(bǔ)充和改善了建筑局部細(xì)節(jié)、紋理，解決了屋檐下和被樹(shù)木遮擋的建筑紋理獲取難題。
素材來(lái)源：湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋?qū)W院無(wú)人機(jī)工作室和建筑工程學(xué)院
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