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1、近景摄影测量技术在数字城市中的应用 周克勤 1 周俊召 1 赵煦 1，2 （1 北京建筑工程学院，北京 100044；2 武汉大学测绘学院，武汉 430079）摘要 本文介绍了基于近景摄影测量技术建立数字城市的方式以及实际成果应用现状， 并以故宫古代建筑物的数字化测绘和古代建筑遗迹为研究对象，结合激光扫描成像测量技术，探索了一种建立数字城市的新方法。关键词： 近景摄影测量 数字城市 激光扫描1 引言近景摄影测量是通过摄影（摄像）和随后的图像处理与摄影测量处理以获得被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。与其它测量手段相比，近景摄影测量的优点在于它兼有非接触性量测手段、不伤及被测物体、信息容量大
2、、易存储、可重复使用等，特别适用于测量具有大批量的目标、躲避危险环境而远离摄影对象等工程。随着计算机技术和数据处理技术的发展，现代近景摄影测量技术已广泛应用于各类建筑工程、机械制造、城市区域规划、医学、生物、古建筑与古文物研究、考古等部门。原则上，凡是可获得其影像的各类目标，都可以使用近景摄影测量的相关技术，以某种精度测定和研究它的形状、大小以及运动参数等。目前，几乎找不到未使用该技术的行业。当前，数字城市和“城市数字化工程”在我国已经步入起步阶段，现代近景摄影测量技术将是其应用技术系列中一个占有重要地位的技术分支。2 近景摄影测量技术的发展与特点2.1 近景摄影测量技术的发展过程上世纪中期，
3、随着摄影测量由单纯的地形摄影测量扩展到非地形摄影测量，产生了一个新的分支非地形摄影测量。非地形摄影测量是对非地形目标进行摄影并确定其外形、形态和几何位置的技术。在非地形摄影测量中，通过摄影手段以确定大约 100米以内目标的外形和运动状态的学科分支称为近景摄影测量，近景摄影测量的发展，在国际上已有五六十年的历史冯文灏 2002。2.2 近景摄影测量技术主要的特点2.2.1 数字近景摄影测量基于传统光学胶片的摄影测量技术，由于处理胶片的步骤繁多以及时间冗长，难以满足现代快速定位、实时质量控制等应用领域的需求。最近十几年，随着固态摄像机和 CCD图像传感器以及相应摄影测量系统的出现，实现了数字影像数
4、据从传感器到处理系统之间的快速传输，数字摄影测量技术由此应运而生。数字近景摄影视觉测量是建立在数字成像、图像处理与识别以及精密测量原理基础上的新型工业现场三维精密测量技术，目前该技术在一般工业测量范围内，已能实现工业经纬仪项目资助：课题受北京市教委科技发展计划基金资助，编号 KM200410016011。系统和激光干涉跟踪测量系统类似的测量精度，而测量自动化水平大大提高，呈现良好的应用前景。近年来，数字成像器件和以计算机为基础的图像处理系统性能迅速提高，成本下降，使数字近景摄影视觉测量更具发展潜力。同时，数字摄影测量技术通过与 GPS/INS等进行多传感器集成，快速采集目标表面三维信息，并自动
5、或半自动生成 DOM、等值线图等，在道路测量等领域初步实现了数字摄影测量的实时化。2.2.2 三维激光扫描技术三维激光影像扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继 GPS 空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，以被测对象的采样点（离散点）集合称之为“点云”的形式获取物体或地形表面的阵列式几何图像数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”，它可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及
6、线、面、体、空间等各种制图数据。同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作（如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等） 。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种工程软件直接使用。 三维激光影像扫描仪小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，提供准确的定量分析。可以广泛应用于各行各业，如：快速建立城市模型、古建测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测以及在安全方面的应用等。 2.3 现代技术的应用特点在进行三维建模数据的采集工作中，数字近景摄影测量技术数
7、据量小，能够真实表达物体表面的纹理信息，在特征点的选取上相对较灵活，但其数据采集效率低，在控制点稀疏区域影像模型精度较差；三维激光影像扫描仪以空间点云数据的形式快速获得物体表面的精确几何信息，但是在物体复杂部位表面采集到的点云数据存在着较多的空洞现象（尤其在古建筑表面） ，仅采用三维激光影像扫描仪采集的数据信息将不可避免的存在工程中称为死角的地方尚涛 2006，同时激光点云数据缺乏符合人体视觉习惯的纹理信息。因此，在物体三维数据采集过程中将数字摄影测量技术与地面激光扫描成像技术的研究成果结合起来，从而准确快速地获取目标空间信息是现代近景摄影测量技术的一个重要应用特点。3 近景测量技术在数字城市
8、中的主要应用3.1、制作城市建筑三维模型城市三维景观模型作为城市 GIS的重要组成部分，在城市发展规划、城市景观建筑评估、建筑设计等领域具有广阔的应用前景，如城市规划中的建筑物景观模拟、地下管线的设计与三维显示等。利用现代近景摄影测量技术建立城市建筑三维景观模型的主要方法有两种：一是直接利用传统 GIS中的二维线划数据及相应的高度属性进行三维建模，利用摄影经纬仪或数码相机获取各建筑物的表面纹理，最后利用相应的图像处理软件粘贴表面纹理。二是利用三维激光扫描系统对目标进行多角度扫描，直接得到目标物局部的三维点云数据，经过拼接处理得到目标物的三维点云模型，利用系统本身所带的同轴 CCD相机得到目标物
9、的纹理信息，经过图像粘贴处理即可得到目标物真实的三维景观模型。利用第二种方法，通过数据处理，还可以得到目标物的彩色点云模型。3.2 大型古代建筑物的精密测绘和古代遗址测绘测绘是对历史建筑现状记录的方法之一。通过对建筑进行测量，然后以一系列图纸予以表达，这些图纸基本上是二维平面、立面、剖面和依然是绘于二维图纸上的轴册、透视图。在图纸的绘制过程中，会根据建筑的建造规律，对实际测量数据进行简化和归纳，绘制出由现状得出的建筑设计图。在完成的图纸上，建筑的一些实际偏差如变形、缺损、加工差异等被人为纠正。这样的测绘被称为“法式测绘” ，即按照营造法式绘制理想状态的建筑图。法式测绘对于相对按照法式建造的官方
10、宫殿类建筑比较有效，往往可以通过测量几个关键尺寸，就可以依照法式推算出其它相关尺寸，从而绘制出图。甚至于“量一个柱础就可以绘制整个大殿” 。然而，法式测绘对于大量民间地方历史建筑遗存是很难适用的。这类建筑具有明显的地域特色和丰富的变化创造。测绘时没有法式可依，利用建筑测量手段只能逐一测量记录，稍有疏漏就难以完整表达。另外，古建筑一般都经历了成百上千年的历史，由于自然和人为的破坏，亟待保护和修缮。传统的古建筑测量方法很难精确测量建筑整体结构状况，如柱子和梁的倾斜、梁和枋的弯曲度、梁架的整体倾斜和沉降等。利用现代近景摄影测量手段可以较好地解决这类问题。在对名胜古迹和古代建筑物的测绘与保护中，引入三
11、维激光影像扫描技术，能对相应的构筑物进行数字化处理，这对构筑物的保护及修复等具有重要意义。作为一种全新的测绘技术，它具有许多新的特性及功能，研究该项技术和其他测绘技术间的差异，可以拓展这些新特性及功能的应用范围，如考古与遗址测绘、古迹保护与古代建筑的变形测量、文物修复和克隆、现场保护性数字影像记录、负载分析与安全监测等方面的应用。3.3 工业现场视觉精密测量近年来，制造技术获得了很大进步，对精密测量技术提出了新的要求。可在工业现场使用的精密三维坐标测量技术已成为先进制造必备的关键技术之一。传统通用三维精密测量仪器的代表是 CMM ，但受到直线型导轨运动的限制，一般只能用于专用的测量环境，不能应
12、用于制造现场。为适应制造技术的进步，近年来发展多种不同类型的现场三维精密测量技术和设备：经纬仪工业测量系统、激光跟踪干涉测量系统、基于机器人的柔性坐标测量系统以及近景数字摄影视觉测量系统。近景数字摄影视觉测量技术是建立在摄影测量、数字成像、图像处理和精密测量原理基础上的新型精密测量技术，其用于现场精密测量是目前精密测量研究和应用的一个热点技术。近景数字摄影视觉测量采用类似于经纬仪系统的空间交汇三角测量模型，所不同的是，它采用高性能数字成像器件作为传感元件，结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体（被测点）的自动识别、瞄准和角度测量，实现测量自动化，消除测量过程中的人为误差，有效提高测量精度，大
13、大提高了测量效率。由于高分辨率、高信噪比的数字成像CCD 器件发展迅速，如 MegaPlus6.3i 数字摄像机具有 30002000 象素和 10bit 的信号动态范围，加之计算机图像处理和模式识别技术的快速进步，使得近景数字摄影视觉测量技术成为目前最有前途的一种现场精密三维坐标测量技术。4 应用实例4.1 数字故宫建设故宫博物院是明清两代皇宫，拥有世界上最大、占地面积达 78万平方米的古宫殿建筑群和 100万件以上的历史文物。1998 年，故宫博物院开始了信息化的工作，此后提出了“数字故宫”的规划。2002 年故宫开始修缮工作后，采用地面激光扫描技术，采集了完整的统一坐标系的高密度、高精度
14、的故宫三维模型数据，构建了故宫主要大殿的现状彩色立体模型，制作了现状剖面图。在主要宫殿表面每大约 5毫米就保存有一个空间坐标点，客观真实地记录了该建筑的现状特征，即使其中某些部分不复存在也可以根据这些数据将其复原。其主要工作步骤包括： 点云模型的拼接； 点云模型坐标系的统一； 基于点云的三维模型建立刘旭春等 2006，其成果如图 1所示。(a)激光扫描成像得到的太和殿东侧点云模型 (b) 太和殿东侧彩色三维模型(c)基于彩色三维模型的太和殿东侧现状剖面图图 1 数字故宫成果示意图4.2 云冈石窟激光扫描数字化测绘现存的云冈石窟群，是 1961年国务院公布的第一批全国重点文物保护单位之一。整座石
15、窟气魄宏大，外观庄严，雕工细腻，主题突出。由于长期遭受风化、崩塌、溶蚀、窟体坍塌、裂缝等各种自然灾害的影响，石窟群面临着被毁坏的危险。利用三维激光影像扫描技术和三维可视化技术采集、分析和描述这些石窟群及其承载体-崖面的特征与细貌，可以为文物的保护、修复提供真实、详尽的科学依据。利用加拿大 Optech ILRIS-3D 激光扫描仪对云冈石窟第 20 窟石佛进行了激光扫描。从正面和两个侧面对佛像一共进行了 3 个基站的 5 次扫描，以点云的形式获取了佛像的三维影像信息。同时，使用激光扫描仪自配的数码相机进行摄影，获取佛像的纹理信息。由于第 20号石佛十分高大，而扫描仪的扫描框幅有限，所以必须从不
16、同的角度和方位对石窟进行激光扫描，以获取石窟中佛像完整的三维信息。为了满足建立石佛整体三维模型的需要，不同基站扫描的点云影像之间至少需要 15%的重叠度。在拼接成新的点云模型以后，点云数据处理系统会自动生成一个新的、统一的扫描基站坐标系，同时赋予每个点在此新坐标系下的空间坐标。在扫描过程中，为兼顾扫描时间和扫描石刻细节的需要，采用了不同的扫描点间距。为了突出第 20 号佛像上石刻花纹和雕饰，在扫描基站和扫描距离不变的情况下，用 11 毫米和 7 毫米点间距对佛像进行了重复扫描。激光扫描仪的扫描范围分别为水平方向 50 度、竖直方向 50 度。在获取佛像点云数据和相应的数字影像信息以后，同时在点云和数字影像上寻找多于12 个左右的同名点，建立点云中特征点与 3072*2048 框幅影像中特征像元之间的映射关系，生成真彩色的点云模型，如图 2 所示。(a) Optech ILRIS-3D扫描的原始点云影像 (b) 数字影像点云映射模型生成的真彩色点云影像
