摘要：在城市建设快速发展的今天，历史建筑在时间的长河中风雨飘摇，但凭借着其自身独特的文化魅力和起源的时代背景，逐渐吸引了社会大众广泛关注。对此，各大城市都不断提高了对历史建筑保护的重视程度。文中针对开平立园泮立楼进行精细化三维建模研究，利用多视角点云数据与多源影像进行融合建模。研究表明，点云的高定位精度和多源影像的全面纹理表达对历史建筑数字化还原效果更好，能更精准、全面的表现出泮立楼的信息。

关键词：历史建筑保护;点云;航测;精细化三维建模

1引言

在新型基础测绘快速发展的时代背景下，激光点云测绘技术快速发展，得到点云的方式存在2种[1]，一种是直接采集点云的方法：采用三维激光扫描仪设备以主动遥感的形式采集物体表面反射信息;另一种是间接获取点云的方法：通过多视角的可见光影像数据，经空三算法计算后获取点云。

多镜头倾斜相机，能够在短时间内以多角度、大面积的方式快速获取被测物体表面的纹理信息，运用航空摄影测量和计算机视觉计算方法，生成被测物体的三维模型和点云数据，但因可见光遥感的局限性影响，此类方法生成的三维模型和点云数据对被测物体的三维表达不够完整。

另一方面，点云能够精准获取被测物体的三维坐标信息，并且能够用于构建历史建筑的实景三维模型。激光点云能够以主动遥感的形式对被测物体快速扫描，通过计算被测物体两点间激光传输所耗时间或相位差，并结合点云扫描设备所处空间位置、姿态信息和扫描角度等信息，得到被测物体表面某点的点云数据，这样的高精度、高效率的测绘手段目前被广泛应用。

本文以开平立园的泮立楼作为研究对象。与纯激光点云建模方式不同[2]，研究首先对泮立楼本体的建筑表面进行多视角影像数据和高密度激光点云数据进行采集，在此基础上将概括激光点云与多视角影像进行精细化三维建模的具体过程，介绍在点云数据处理和三维重建中的核心步骤，并对模型重建过程中的几何修整和纹理优化这类难点进行探讨。

2点云与多源影像数据采集

2.1现场踏勘。立园位于江门开平市塘口镇赓华村，本文以泮立楼为研究对象，作业范围为以泮立楼为中心的100m缓冲区内。利用多平台（无人机载、背包端）激光雷达扫描系统、倾斜航测设备、手持相机，从空地一体的角度出发，对立园进行数字化建模研究工作。在踏勘过程中需要观察现场及周边的地形和地物的分布特征，确定安全作业范围。经资料归整得到泮立楼的基本情况和历史文化背景，初步制定了多平台激光雷达扫描、倾斜航测和手持相机的作业方案。作业将按照以下原则：（一）合理规划机载雷达航线和背包端激光雷达作业线路，在保证低数据冗余量的要求下，尽可能减小周围建筑、植物、游客和扫描角度对点云数据的影响，最大程度实现建筑外表面的点云数据覆盖。（二）为确保多源影像参与建模的通过率，倾斜航测需考虑多高度层次进行作业，确保航测倾斜影像与手持相机影像之间分辨率的低幅自然过渡。同时，在确保不损坏历史建筑的前提下，在建筑周围和建筑外表面上布测像控点。（三）由于泮立楼位于景区内，在进行研究工作时还要考虑到作业安全问题，尽量在无游客或少量游客的情况下进行作业，即减少了大量无效数据，也可以保障人生安全。

2.2数字化精度。历史建筑保护的研究工作需要根据研究对象的结构、表面复杂性差异和周围的地貌环境确定研究方案。考虑到本次研究侧重于对泮立楼模型外表面的精细化建模，激光射距将控制在100m内（激光射程900米，航测影像设计分辨率优于1.5cm，手持相机影像设计分辨率优于2cm，三维建模精度设计优于5cm。

2.3控制网布测。控制网能够优化点云数据和多源影像三维建模的精度，在不破坏泮立楼原有景观的前提下，选取研究对象本体和周边的特征点作为控制点，尽量使控制点在距离和方位上均匀分布，使控制网的合理布设。同时，为保证多源影像的坐标精度，还应考虑控制点在航测和手持相机影像上出现的频率，以合理控制重建误差。外表面上控制点一般设计在3m以内，地面一般设计在20m左右，在保证控制网合理的前提下适当考虑控制点测量个数，以提高工作效率。

2.4点云数据采集。本文激光点云采集以空地一体的方式进行，以保证点云数据对泮立楼外表面的数据全覆盖，点云三维精度优于5cm。天空端采用无人机搭载激光雷达，以交叉航线进行扫描作业，以保证尽可能多的获取历史建筑外立面朝天的细部结构信息;地面段采用背包形式搭载激光雷达，通过对扫描线路的规划，尽量减少周围建筑对GPS信号的干扰，并针对性地对泮立楼四周和朝地部分外表面的细部结构信息进行扫描作业。

2.5多源影像采集。进行影像数据采集时，应注意天气和光照条件对成像的影响，采集时间宜在10：00～15：00之间，不宜在日出或黄昏或其他时段进行作业，避免影像偏黄或存在大量阴影。并且，同一特性的对象应在同一时间内完成，以确保被摄对象的完整性和同时性。

2.5.1航测采集。航测采用传统的五镜头倾斜相机和大疆精灵无人机，在航测作业时应考虑到航测影像到手持相机影像之间的分辨率过渡问题。倾斜相机以不同高度进行作业，保证建筑主体的正常建模;大疆精灵主要以环绕和贴近摄影的方式对倾斜相机以及手持相机无法拍摄到的建筑细部结构进行纹理补充。

2.5.2手持相机采集。手持相机主要对历史建筑中的复杂结构，如门廊和檐上走兽等进行着重采集，以及对建筑外立面和屋檐底部等建筑的细部结构进行补充，确保三维重建高精还原历史建筑原貌。

3点云与多源影像融合精细化建模

为了保证多源数据的顺利融合和建模的精度要求，在处理原始点云和影像时，应在计算过程成中完成对点云和空三成果的优化，且在输出两种成果时要将点云数据和刺点后空三成果输出到同一坐标系下。

为了得到三维点位精度更高的点云数据，点云纠正方法主要分为：控制点测量和精确配准。控制点测量工作已于外业测得;点云精确配准在点云纠正软件中进行，通过将控制点集合导入软件，并在建筑表面相应位置上找到匹配点或虚拟一个点，将匹配或虚拟的单点点云与控制点进行配准，在泮立楼控制点集合和点云配准操作完成后即可完成点云纠正。

4建筑模型几何与纹理优化

借助点云数据的高精三维定位优势和多源影像的丰富纹理优势，在获得高精度点云和空三成果后，即可将两类数据导入三维建模软件中进行重建。由于受相机角度和拍摄重叠率的影响，建筑模型中的屋檐和走兽细部仍存在一定结构变形或纹理缺失，对于这部分缺失的纹理可以通过现有纹理的补充或现场补拍纹理，结构变形的部分可以通过模型网型结构的修整实现。

5结语

本文结合激光点云与多源影像数据的优点，在三维建模软件中进行融合建模实验，结果表明：①纯影像建模存在大量几何结构错误，点云数据参与重建能够使模型的结构表达更加精准;②相对传统航测建模，多源影像的建模方式能够更加丰富的对复杂建筑部件的几何结构与纹理色彩进行表达;③两种数据的融合，使模型具备了两者的优点，构建的泮立楼模型在建筑物顶部、屋檐和走兽等复杂部位信息的表达更加丰富，立面结构与纹理也还原的更加精确。

参考文献

[1]李佳， 段平， 盛业华，等. KD树索引策略下紧支撑径向基函数的点云建模[J]. 系统仿真学报， 2016， 28（9）：5.

[2]化蕾， 黄洪宇， 陈崇成，等. 基于激光点云数据的客家土楼三维建模[J]. 遥感技术与应用， 2015（1）：8.