影像RTK助力歷史建筑保護，記錄歷史，傳承文明，精細化建模，讓歷史建筑“活”起來
發(fā)布時間：2022-10-19 09:34:35
歷史建筑是人類物質(zhì)文明和精神文明的產(chǎn)物，是人類歷史的見證留存。由于自然地理氣候等原因，歷史建筑逐漸破敗消亡，保護歷史建筑傳承歷史刻不容緩。近年來，通過實景三維技術(shù)對歷史建筑進行精細化重建，能夠有效的實現(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。中海達影像RTK助力歷史建筑保護，記錄歷史，傳承文明，精細化建模，讓歷史建筑“活”起來！
項目背景
本項目對兩處故居進行了精細化三維模型的生產(chǎn)，一處是黃興故居，二處是許光達故居。其中，黃興故居建于清同治初年，是偉大的辛亥革命元勛黃興的故居，現(xiàn)為全國重點文物保護單位，占地面積約6.45畝;許光達故居建于清光緒三十四年，是中國人民解放軍開國大將、軍事家許光達的故居，現(xiàn)為第五批湖南省愛國主義教育基地，占地面積約1.62畝。
根據(jù)傳統(tǒng)建筑的特點與實際需求，項目要求生成具備高分辨率和高精細度(分辨率應(yīng)在1cm內(nèi))的建筑實景模型。同時，建筑的細部構(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
許光達故居
痛點分析
傳統(tǒng)三維建模多采用無人機傾斜攝影建模，但由于以下難點，僅靠無人機建模遠不能滿足上述項目需求：
一、角度、距離等原因，拍攝的立面紋理不夠精細;
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法拍攝到;
三、建筑周圍栽種有茂密的樹木，在樹木的遮擋下，無人機無法采集到建筑立面的紋理。
因此，滿足大比例尺測圖需要的無人機傾斜攝影技術(shù)，無法滿足建筑精細建模的項目需求。為彌補無人機傾斜攝影技術(shù)建模方法的缺陷，我們通常采用以下方法加以補充：
一是手動控制無人機對建筑立面和細部進行補拍，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，本項目拍攝的故居只有一層，加上旁邊有高大樹木，該方法實施有較大安全風(fēng)險，不宜使用;
二是地面上人工持普通相機對建筑立面和細部進行補拍，這種方法比較適合民居建筑，但是由于普通相機照片不帶有精確的POS位置數(shù)據(jù)，且與航測照片缺乏有效的分層與重疊，后期內(nèi)業(yè)處理時，與航測照片融合空三建模操作會非常繁瑣，而且普通相機與航測相機還存在較大差異(分辨率與CMOS像點尺寸等)。
實施方案
針對項目痛點，項目采用了中海達影像RTK V5(下稱中海達影像RTK)+無人機協(xié)同作業(yè)的方案進行精細化三維模型的生產(chǎn)。其中，空中利用無人機傾斜攝影采集屋頂和立面的影像，地面使用中海達影像RTK針對屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期內(nèi)業(yè)分別進行空三，然后直接合并空三結(jié)果進行三維建模。
空地融合建模技術(shù)路線圖
這套方案擁有兩大優(yōu)勢，一是中海達影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測量技術(shù)相結(jié)合的影像RTK，它最大的特點就是拍攝的影像都帶有準確的POS數(shù)據(jù)(RTK級別的精度);二是無人機影像和地面影像均具有相同坐標系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)空三計算時，無需通過設(shè)置連接點或者像控點來融合空中影像和地面影像，內(nèi)業(yè)操作變繁為簡，極大減輕了內(nèi)業(yè)操作人員的勞動強度。
中海達影像小碟RTK V5
???
項目內(nèi)外業(yè)實施
外業(yè)實施
(1)無人機傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國內(nèi)某品牌無人機，采用傾斜攝影航拍。
(2)影像RTK地面近景攝影
對需要重點采集的建筑立面，以及被樹木遮擋的墻面，使用中海達影像RTK進行近景攝影補拍。
作業(yè)人員使用中海達影像RTK對黃興故居進行近景拍攝
拍攝方法一般以一個立面為對象，進行相鄰有重疊、機位有遠近、視角可傾斜的拍攝。
在外業(yè)實施過程中，無人機傾斜攝影和中海達影像RTK地面近景攝影補拍時，必須采用相同坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。本項目使用中國移動CORS基站，國家2000坐標系，大地高。經(jīng)過兩個小時的作業(yè)，兩個故居順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理
將無人機采集的航攝照片與中海達影像RTK地面采集的建筑近景照片各自進行空三處理，最后再合并所有空三結(jié)果進行三維建模。
中海達影像RTK單獨空三結(jié)果(黃興故居院門正立面)
中海達影像RTK合并空三結(jié)果(黃興故居院門正立面)
空三結(jié)果合并圖(許光達故居)
???
成果展示
通過生成的三維模型可以看到，采用中海達影像RTK在地面補拍的照片，極大地改善了建筑立面的紋理效果，并補充了無人機傾斜攝影缺失的檐下構(gòu)件和樹木遮擋缺失導(dǎo)致的建筑模型拉花空洞等問題。
黃興故居三維模型整體效果圖
許光達故居三維模型整體效果圖
通過與無人機傾斜攝影的三維模型成果對比，此次生成的三維模型能清晰的展現(xiàn)建筑的細部構(gòu)造，無論是立面、檐下、樹下的建筑要素，還是建筑配套的文化要素均能得到精細化的展示，滿足了項目的需求。
▲黃興故居正立面模型對比
▲黃興故居屋后被樹木遮擋部分的模型對比
▲許光達故居讓銜碑模型對比
項目總結(jié)
通過本項目的實施，可以得出以下結(jié)論：
(1)使用中海達影像RTK在地面進行補拍的同時，可以與無人機航拍協(xié)同作業(yè)，兩個小時完成占地總面積8.07畝的兩個故居外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率高;
(2)中海達影像RTK拍攝的照片帶有POS數(shù)據(jù)，且與無人機航空照片具有相同的坐標系，內(nèi)業(yè)建模時無需使用連接點，可以直接合并空三成果建模，簡化了內(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)無人機和中海達影像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，生成的三維模型自然、精細;
(4)采用中海達影像RTK在地面補拍的照片，有效補充和改善了建筑局部細節(jié)、紋理，解決了屋檐下和被樹木遮擋的建筑紋理獲取難題。
素材來源：湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋?qū)W院無人機工作室和建筑工程學(xué)院
文章內(nèi)容來源：中海達小碟
項目背景
本項目對兩處故居進行了精細化三維模型的生產(chǎn)，一處是黃興故居，二處是許光達故居。其中，黃興故居建于清同治初年，是偉大的辛亥革命元勛黃興的故居，現(xiàn)為全國重點文物保護單位，占地面積約6.45畝;許光達故居建于清光緒三十四年，是中國人民解放軍開國大將、軍事家許光達的故居，現(xiàn)為第五批湖南省愛國主義教育基地，占地面積約1.62畝。
根據(jù)傳統(tǒng)建筑的特點與實際需求，項目要求生成具備高分辨率和高精細度(分辨率應(yīng)在1cm內(nèi))的建筑實景模型。同時，建筑的細部構(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
許光達故居
痛點分析
傳統(tǒng)三維建模多采用無人機傾斜攝影建模，但由于以下難點，僅靠無人機建模遠不能滿足上述項目需求：
一、角度、距離等原因，拍攝的立面紋理不夠精細;
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法拍攝到;
三、建筑周圍栽種有茂密的樹木，在樹木的遮擋下，無人機無法采集到建筑立面的紋理。
因此，滿足大比例尺測圖需要的無人機傾斜攝影技術(shù)，無法滿足建筑精細建模的項目需求。為彌補無人機傾斜攝影技術(shù)建模方法的缺陷，我們通常采用以下方法加以補充：
一是手動控制無人機對建筑立面和細部進行補拍，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，本項目拍攝的故居只有一層，加上旁邊有高大樹木，該方法實施有較大安全風(fēng)險，不宜使用;
二是地面上人工持普通相機對建筑立面和細部進行補拍，這種方法比較適合民居建筑，但是由于普通相機照片不帶有精確的POS位置數(shù)據(jù)，且與航測照片缺乏有效的分層與重疊，后期內(nèi)業(yè)處理時，與航測照片融合空三建模操作會非常繁瑣，而且普通相機與航測相機還存在較大差異(分辨率與CMOS像點尺寸等)。
實施方案
針對項目痛點，項目采用了中海達影像RTK V5(下稱中海達影像RTK)+無人機協(xié)同作業(yè)的方案進行精細化三維模型的生產(chǎn)。其中，空中利用無人機傾斜攝影采集屋頂和立面的影像，地面使用中海達影像RTK針對屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期內(nèi)業(yè)分別進行空三，然后直接合并空三結(jié)果進行三維建模。
空地融合建模技術(shù)路線圖
這套方案擁有兩大優(yōu)勢，一是中海達影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測量技術(shù)相結(jié)合的影像RTK，它最大的特點就是拍攝的影像都帶有準確的POS數(shù)據(jù)(RTK級別的精度);二是無人機影像和地面影像均具有相同坐標系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)空三計算時，無需通過設(shè)置連接點或者像控點來融合空中影像和地面影像，內(nèi)業(yè)操作變繁為簡，極大減輕了內(nèi)業(yè)操作人員的勞動強度。
中海達影像小碟RTK V5
???
項目內(nèi)外業(yè)實施
外業(yè)實施
(1)無人機傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國內(nèi)某品牌無人機，采用傾斜攝影航拍。
(2)影像RTK地面近景攝影
對需要重點采集的建筑立面，以及被樹木遮擋的墻面，使用中海達影像RTK進行近景攝影補拍。
作業(yè)人員使用中海達影像RTK對黃興故居進行近景拍攝
拍攝方法一般以一個立面為對象，進行相鄰有重疊、機位有遠近、視角可傾斜的拍攝。
在外業(yè)實施過程中，無人機傾斜攝影和中海達影像RTK地面近景攝影補拍時，必須采用相同坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)。本項目使用中國移動CORS基站，國家2000坐標系，大地高。經(jīng)過兩個小時的作業(yè)，兩個故居順利完成了外業(yè)數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)處理
將無人機采集的航攝照片與中海達影像RTK地面采集的建筑近景照片各自進行空三處理，最后再合并所有空三結(jié)果進行三維建模。
中海達影像RTK單獨空三結(jié)果(黃興故居院門正立面)
中海達影像RTK合并空三結(jié)果(黃興故居院門正立面)
空三結(jié)果合并圖(許光達故居)
???
成果展示
通過生成的三維模型可以看到，采用中海達影像RTK在地面補拍的照片，極大地改善了建筑立面的紋理效果，并補充了無人機傾斜攝影缺失的檐下構(gòu)件和樹木遮擋缺失導(dǎo)致的建筑模型拉花空洞等問題。
黃興故居三維模型整體效果圖
許光達故居三維模型整體效果圖
通過與無人機傾斜攝影的三維模型成果對比，此次生成的三維模型能清晰的展現(xiàn)建筑的細部構(gòu)造，無論是立面、檐下、樹下的建筑要素，還是建筑配套的文化要素均能得到精細化的展示，滿足了項目的需求。
▲黃興故居正立面模型對比
(左側(cè)展示的是融合無人機與中海達影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無人機傾斜攝影的三維模型成果)
▲黃興故居屋后被樹木遮擋部分的模型對比
(左側(cè)展示的是融合無人機與中海達影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無人機傾斜攝影的三維模型成果)
▲許光達故居讓銜碑模型對比
(左側(cè)展示的是融合無人機與中海達影像RTK數(shù)據(jù)后的三維模型成果，右側(cè)展示的是無人機傾斜攝影的三維模型成果)
項目總結(jié)
通過本項目的實施，可以得出以下結(jié)論：
(1)使用中海達影像RTK在地面進行補拍的同時，可以與無人機航拍協(xié)同作業(yè)，兩個小時完成占地總面積8.07畝的兩個故居外業(yè)數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率高;
(2)中海達影像RTK拍攝的照片帶有POS數(shù)據(jù)，且與無人機航空照片具有相同的坐標系，內(nèi)業(yè)建模時無需使用連接點，可以直接合并空三成果建模，簡化了內(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)無人機和中海達影像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，生成的三維模型自然、精細;
(4)采用中海達影像RTK在地面補拍的照片，有效補充和改善了建筑局部細節(jié)、紋理，解決了屋檐下和被樹木遮擋的建筑紋理獲取難題。
素材來源：湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋?qū)W院無人機工作室和建筑工程學(xué)院
文章內(nèi)容來源：中海達小碟
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