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
發布時間：2022-10-19 09:34:35
歷史建筑是人類物質文明和精神文明的產物，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，通過實景三維技術對歷史建筑進行精細化重建，能夠有效的實現文物全方位的、立體化的數字化管理存檔，有利于形成文物數字治理新格局。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，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。
根據傳統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(分辨率應在1cm內)的建筑實景模型。同時，建筑的細部構造，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、牌匾、裝飾等)均應清晰展現。
黃興故居
許光達故居
痛點分析
傳統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，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位置數據，且與航測照片缺乏有效的分層與重疊，后期內業處理時，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)+無人機協同作業的方案進行精細化三維模型的生產。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，后期內業分別進行空三，然后直接合并空三結果進行三維建模。
空地融合建模技術路線圖
這套方案擁有兩大優勢，一是中海達影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測量技術相結合的影像RTK，它最大的特點就是拍攝的影像都帶有準確的POS數據(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的POS數據，內業空三計算時，無需通過設置連接點或者像控點來融合空中影像和地面影像，內業操作變繁為簡，極大減輕了內業操作人員的勞動強度。
中海達影像小碟RTK V5
???
項目內外業實施
外業實施
(1)無人機傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國內某品牌無人機，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和高程系統。本項目使用中國移動CORS基站，國家2000坐標系，大地高。經過兩個小時的作業，兩個故居順利完成了外業數據采集。
數據處理
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果進行三維建模。
中海達影像RTK單獨空三結果(黃興故居院門正立面)
中海達影像RTK合并空三結果(黃興故居院門正立面)
空三結果合并圖(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件和樹木遮擋缺失導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建筑的細部構造，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
通過本項目的實施，可以得出以下結論：
(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同作業，兩個小時完成占地總面積8.07畝的兩個故居外業數據采集，作業效率高;
(2)中海達影像RTK拍攝的照片帶有POS數據，且與無人機航空照片具有相同的坐標系，內業建模時無需使用連接點，可以直接合并空三成果建模，簡化了內業操作流程，減少了內業工作量，提高了內業處理效率;
(3)無人機和中海達影像RTK兩者相關參數接近，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、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：湖南交通職業技術學院路橋學院無人機工作室和建筑工程學院
文章內容來源：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，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。
根據傳統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(分辨率應在1cm內)的建筑實景模型。同時，建筑的細部構造，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、牌匾、裝飾等)均應清晰展現。
黃興故居
許光達故居
痛點分析
傳統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，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位置數據，且與航測照片缺乏有效的分層與重疊，后期內業處理時，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)+無人機協同作業的方案進行精細化三維模型的生產。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，后期內業分別進行空三，然后直接合并空三結果進行三維建模。
空地融合建模技術路線圖
這套方案擁有兩大優勢，一是中海達影像RTK是一款將GNSS RTK和近景攝影測量技術相結合的影像RTK，它最大的特點就是拍攝的影像都帶有準確的POS數據(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的POS數據，內業空三計算時，無需通過設置連接點或者像控點來融合空中影像和地面影像，內業操作變繁為簡，極大減輕了內業操作人員的勞動強度。
中海達影像小碟RTK V5
???
項目內外業實施
外業實施
(1)無人機傾斜攝影
空中傾斜攝影使用國內某品牌無人機，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和高程系統。本項目使用中國移動CORS基站，國家2000坐標系，大地高。經過兩個小時的作業，兩個故居順利完成了外業數據采集。
數據處理
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果進行三維建模。
中海達影像RTK單獨空三結果(黃興故居院門正立面)
中海達影像RTK合并空三結果(黃興故居院門正立面)
空三結果合并圖(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件和樹木遮擋缺失導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建筑的細部構造，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
(左側展示的是融合無人機與中海達影像RTK數據后的三維模型成果，右側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
(左側展示的是融合無人機與中海達影像RTK數據后的三維模型成果，右側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
(左側展示的是融合無人機與中海達影像RTK數據后的三維模型成果，右側展示的是無人機傾斜攝影的三維模型成果)
項目總結
通過本項目的實施，可以得出以下結論：
(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同作業，兩個小時完成占地總面積8.07畝的兩個故居外業數據采集，作業效率高;
(2)中海達影像RTK拍攝的照片帶有POS數據，且與無人機航空照片具有相同的坐標系，內業建模時無需使用連接點，可以直接合并空三成果建模，簡化了內業操作流程，減少了內業工作量，提高了內業處理效率;
(3)無人機和中海達影像RTK兩者相關參數接近，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、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：湖南交通職業技術學院路橋學院無人機工作室和建筑工程學院
文章內容來源：中海達小碟
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