"地空一体"实景三维可视化，让文物保护传承不朽(P4A+FARO)

中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于实施中华优秀传统文化传承发展工程的意见》表示：实施中华文化资源普查工程，构建准确权威、开放共享的中华文化资源公共数据平台。建设国家文献战略储备库、革命文物资源目录和大数据库。实施国家古籍保护工程，完善国家珍贵古籍名录和全国古籍重点保护单位评定制度，加强中华文化典籍整理编纂出版工作。

让文物传承不朽！是我们一直的心愿在巴黎圣母院失火事件之后，

如何留住文物之“魂”，

备受关注！

大理市剑川县剑川古城，时光洪流中的璞玉!

四门护城河、壕桥犹存，明代建成的街巷道路走向不变，尺度不变，格局不变，历经沧桑，古貌依旧！

古民居建筑的保留量占全城民居总数的90%以上。

通过对古城进行现状调查，三维激光扫描及倾斜数字摄影测量，全景拍摄；为古城古建筑保护修复，古城三维可视化展示及信息化管理系统建设，在线数字古城博物馆建设提供数据支撑，提出古城数字化需求，“孪生”出一座数字化的剑川古城。

01基本情况

1、项目需求

1）获取剑川古城优于2cm精度的三维实景模型；

2）对城区内重点建筑（剑阳楼、张伯简纪念馆、寺庙）进行全面测绘，形成平立剖面图和超精细三维模型成果；

3）对张伯简纪念馆进行室内三维扫描，形成室内室外一体化成果展示；

4）对剑川古城数字化之后的成果进行VR实景展示。

2、测区情况

本项目测区位于剑川古城主城区，面积约为0.1平方公里，测区内古建筑密集，分布错落有致，建筑细节纹理多样，尽显传统古建筑独特的魅力。

02项目难点

1）测区古建筑密集，多为三面以上房间合围而成，屋檐较深，结构复杂，数据采集难度大。

2）剑川古城位于云南大理白族自治州，住宅建筑多为白墙、灰瓦，墙面纹理单一，建模难度大。

3）测区天气状况千变万化，一会阳光明媚，一会乌云密布，对外业数据采集造成很大影响。

03设备选择

1 飞行平台

根据项目现场环境，综合项目成果要求等各方面因素，选用大疆精灵phantom 4 Advanced无人机进行航飞作业。

2  E-FLY飞控软件

E-FLYEFLY是一款航线规划软件，支持2D、倾斜摄影、不规则环绕自动变高贴近摄影测量等类型航线规划功能，可以解决现有的多镜头相机造价高昂、单镜头相机拍摄效率低下的问题，提供一种使用小型无人机，低成本、高效率的解决方案。

3 FARO三维激光扫描仪

本项目选用FARO X130三维激光扫描仪对测区重点建筑进行三维激光扫描。FAROX130三维激光扫描仪每秒可获取976000个点，最长扫描距离可达130余米，用户可以通过彩色触摸屏简单直观的进行操作，还内置了同轴高分辨率相机，使彩色影像与点云的匹配无偏差。此外，该设备便携小巧，大大提升了外业现场的主动性。

4 后处理软件

三维实景建模采用大疆智图软件。大疆智图是一款提供自主航线规划、飞行航拍、实时二维正射影像与三维模型重建的 PC 应用软件。一站式解决方案帮助行业用户全面提升航测内外业效率，将真实场景转化为数字资产。

04实施方案

1 整体工作流程概述

本次作业区内古建筑密集，细节纹理多样。首先对测区进行详细勘察，了解测区地形及建筑分布情况等；提前规划航线，采集航拍数据。其次对测区内主要建筑内外进行三维激光扫描，获取高精度点云数据用于生成全面测绘成果。然后再室内进行全景数据采集，获取室内全景数据。数据获取完成后，进行内业数据处理，生成测区高精度三维实景模型和重点建筑平立剖面图。

2 数字摄影测量数据采集

根据现场勘查情况设置航线规范，进行航线预规划，为严格保证三维实景模型成果质量，采用不同航高：50米、40米、30米、贴近建筑5-10米环绕飞行，重叠率设置：航向80%，旁向75%。

根据谷歌地球及现场地形勘测结果，分析布设航摄分区，根据飞行时间划定飞行架次，地面影像补充采集。

在数字摄影测量数据采集时采用E-FLY飞控软件，通过以下技术方案，实现多角度、高效率的数据获取：

1)通过编写程序，生成航线，按照相机参数保证航线内重叠和航线间重叠。

2)将单条航线按照基线长拆分为无数小段，让无人机依次飞过这些小段直到完成整条航线的飞行。

3)让无人机在进行单个小段飞行的同时完成以下动作：保持航线预定的飞行速度匀速飞行；使机身以z为轴匀速旋转360度，让相机朝向随机身旋转；

4)让相机匀速拍照，通过精确控制飞行速度、拍照时间间隔、旋转速度，精确控制拍照的方向、数量。完成所有航线飞行，获取多个角度的航片。

3 三维激光扫描

在测区的影像上，规划设计扫描站点。选择通视的两点，两个站点距离不小于50米。在距激光扫描仪10米的范围内布设3个以上平面靶标。靶标的布设满足空间分布均匀，尽量正对激光扫描仪和全站仪。然后分别用全站仪和激光扫描仪获取平面靶标的中心坐标。然后利用扫描仪对古建室内室外数据进行扫描，根据激光扫描仪到目标的距离设置水平和垂直分辨率，使得扫描结果均匀。对于重要的目标，可设置更高的分辨率进行细扫，获取剑川古城室内外点云数据。

4 室内全景数据采集

在室内利用360全景影像采集设备将剑川古城张柏简博物馆室内所有文物进行采集。

5 内业数据处理

1）一键式倾斜摄影空地融合实景建模

• 无人机航片整理，带有POS信息的影像数据质量检查。
• 在大疆智图中新建倾斜摄影任务，导入影像数据。
• 设置输出坐标系，提交空三解算，检查空三质量，确认空三精度满足要求，提交模型重建。

2） 三维激光扫描数据处理

• 点云数据的拼接，纹理映射
• 使用扫描仪后处理软件（FARO SCENE）进行拼接处理，可根据扫描测站间重合部分和拼接标靶球，完成点云数据的自动拼接和纹理映射。

3）去噪
使用Faro Scene或realworks去噪工具，可自动完成偏离点群过大的点，达到去除杂点的目的。

4)平立剖面图数据处理

• 正射影像数据生成

 使用扫描仪后处理软件（FARO SCENE）进行正射影像生成，FARO SCENE可设置正射模式，一键导出正射影像图。

• CAD绘图

使用天正建筑CAD对建筑结构方面进行绘制，天正建筑CAD有丰富的素材库，像门、窗、墙体等，都有现成的尺寸图式，绘制相对较为快捷。

5）室内全景影像数据处理

采用PTGUI对360全景数据进行拼接，个别因为光照原因颜色差异比较大的区域利用Photoshop进行调色处理。

6  实景VR数据开发

将融合后的高精度实景模型进行减面优化，导入自主研发的VR引擎进行数据开发。

05技术亮点

1）本次任务共计测绘约0.1平方公里古城区，为外业数据采集2人，外业点云与影像采集2人，共用时2天；内业数据处理3人，内业三维模型重建使用大疆智图软件约2天。大大提升内外业作业效率，降低人力成本。

2）针对古建筑结构复杂，屋檐较深，细节部分数据获取困难的问题，采用贴近摄影测量的方法，将无人机飞行靠近建筑物，镜头角度向上调整进行拍摄。

3）空地融合，点云扫描与拍照建模数据无缝融合，几何精度更高，模型纹理更真实。

4）集美术、动漫、GIS、软件开发等多专业技术，突破传统实景模型数据太重的技术难点，VR引擎不再受限于模型网格面数，可以一键导入超大场景实景模型。

06成果展示

实景三维模型

点云数据

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点云数据平立剖面图

结束语
文化遗址承载着无尽的先贤智慧，“为往圣继绝学”亦是当代中华儿女的使命！

文章授权转载于天茂空间科技

版权归原作者所有

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