探讨近景摄影测量新技术在古建筑领域的应用

摘要：文章介绍了采用摄影测量软件、数码相机、CAD、PC机等来建立复杂构件的DSM。论述了创建古建筑表面构件的3维模型有效方法。

关键词：数字近景摄影测量；数字表面模型

在古建筑领域中，对古建筑的重建或保护工作可以采用构建建筑物构件的三维模型。在这项工作中，用常规的方法很难构件表面复杂、外形奇特的建筑构件DSM。所以，准确而迅速地建立古建筑构件的DSM就显得特别关键。文章中探讨了一种非常有效的方法，该方法采用数字近景摄影测量，采用数码相机将建筑物构件的数字影像进行获取，构件的3维坐标使用摄影测量软件PhotoModeler进行获取，最后将坐标转入AutoCAD创建建筑构件的DSM。

1、 数字近景摄影测量以及获取数据

根据摄影机在摄影时所处位置不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量和地面摄影测量。根据所应用的领域不同它还可分为非地形摄影测量和地形摄影测量。在根据其技术处理方法的不同，还可分为数字摄影测量、解析摄影测量和模拟摄影测量。测量不受地理条件和气候的限制，不需接触物体本身，摄像的形象直观、信息丰富，是客观物体的真实反映。人们能够通过摄影获得物体的大量物理信息和几何信息。摄影测量可以利用在对物体拍摄的瞬间的影像进而完成测量的工作，这种工作是使用常规方法难以实现的。摄影测量可以生产出数字正摄影、数字高程模型、数字线划图、纸质地形图等。它产品形式多种多样，成图效率高、速度快。适合于大范围的地形、建筑测绘工作。

摄影测量的发展历史悠久。目前，半自动或自动的数字近景摄影测量系统被广泛地应用与古建筑、古文物领域中，是方便、快捷且强有力的一种工具。数字近景摄影测量技术还具备了很大的灵活性和潜力。它能够在古建筑、古文物的资料记录、研究、维护、修复、重建等各种工作中发挥出重要作用。这种数字近景摄影测量系统具有不同的实际情况和用途的功能选择，该系统包括成果输出、数据处理、数据获取的设备和软件，一台数码照相机就是数据获取设备，它可以对物体影响数据进行获取。以Windows平台为基础，PhotoModeler软件利用了数字摄影测量的方法与原理，它可以从N张像片中飞速获取大量的细节来进行3维测量数据的提取。PhotoModeler软件的作业流程可以参照图所示。

2、AutoCAD

国内目前使用最广泛的计算机辅助绘图软件包就是AutoCAD，它具有完全开放的结构，具备强大的图形编辑与创造功能，被广泛地应用于制图、工业制造、机械、建筑等方面。AutoCAD提供了C语言开发系统、AutoLISP编辑语言、样板图、线型、图案、菜单等多种多样的二次开发工具。这些工具有助于CAD用户根据实际的需要开发、拓展、扩产其功能。AutoCAD还能够通过镶嵌和对象链接与文字处理软件或图形图像处理软件进行数据信息的交换，这就对其使用领域以及应用功能进行了有效的扩展。在处理3维图像时，AutoCAD提供了实心体造型建模技术以及表面与线框描述建模技术这两种立体建模技术。实心体造型建模技术采用简单3维物体切割、求交、求合等构成复杂的立体模型，它通过了复杂的计算，因为对后续编辑工作的要求较高，所以对计算机的要求也高，虽然数据量庞大，但是工序步骤简单。表面与线框描述建模技术对物体的线框架进行建立，再对物体的表面进行构面，用以创建立体模型。这种技术虽然比较直观，但是工序步骤较繁琐。在实际作业中，要按照构件的不同情况来选择有效、简洁的建模技术。3维图形与AutoCAD的二维图形相比较，处理能力较弱。尤其在对精度方面有具体特殊要求时，更加显示出3维图形处理能力的不足。实际应用中，用AutoLSP编辑语言扩充和改进了3维处理能力，再结合构件的特点，促进构件建模的速度。

3、 实例说明

古建筑的构件通常具有表面复杂、外型奇特等特点，这些特点对建筑物整体外观的作用非常重要。采用CAD和近景摄影测量的方法对3维模型进行创建。在建立宝顶莲花构件DSM时，宝顶上莲花由八片莲花瓣构成，莲花中座高288毫米，上圆直径1080毫米，底面内径757毫米，其主体形状为圆形。在莲花构件的表面做上标志，在天气好的条件下，在不同的位置，保持一米左右的摄影距离，使用预先检验过的数码相机摄取百分之百重叠的八张像片。在莲花构件上采用钢尺准确进行测量，具体测量不得少于一个长度。如果像片的现场质量达不到满意程度可重新进行拍摄。完成拍摄后，将影像数据传入计算机中，用Adobe Photoshop软件等图像处理软件对影像进行增强色彩、增强边缘、分割影像、编辑处理等工作，最后存入工程影响目录中。采用PhotoModeler软件时，先从影像目录里选出六张影像，进行摄影测量处理。提供相机的参数信息，进行影响匹配。标定像片上所有的待定点，并提供一个距离进行相对控制。当获取到多片同名点像方坐标时，再利用程序进行光束法平差计算得出各个待定点的3维坐标。用DXF格式文件保存处理的结果。在AutoCAD中，根据莲花的高度、圆的直径等实际相对控制参数和莲花的特征来编辑整理使用PhotoModeler处理过的数据。建立宝顶莲花构件DSM就需要利用所开发的软件和AutoCAD的3维图形处理功能。

例如：古建筑的屋顶有一个鸱吻，在佛教中鸱吻是雨神的座物，在古建筑中是大殿正脊两端的装饰物，它的形状像是一条鱼尾。在建立鸱吻构件DSM时，用笔在鸱吻上做标志，为取得足够多的相互重叠影像，必须使用数码相机对它进行近距离的围绕摄影。完成摄影后，在计算机中输入原始数据。与宝顶莲花DSM时相同，用Photoshop软件对其进行处理后，存入工程影像目录中。其摄影测量的处理应使用PhotoModeler软件。从工程影像目录中选出六张影像，标定像片上所有的待定点，提供相机的参数信息以及基座尺寸，测量像方坐标并进行影像的匹配，通过PhotoModeler程序计算光束法平差，获得各个待定点的3维坐标，最后，以DXF格式的文件来保存处理的结果。在AutoCAD中整理、编辑数据，构面连线后，创建鸱吻构件DSM。

在古建筑中，悬鱼起到保护脊的作用，同时它还是悬山结构古建筑物的山面装饰物。与莲花、鸱吻不同，悬鱼类构件的总体呈平面的表面上有许多复杂的艺术浮雕，所以就不能够用常规的方法对其进行测绘。建立悬鱼构件DSM必须采用下列方法：a.采用AutoCAD3维建模技术来对悬鱼立体框架模型进行建立。b.对悬鱼进行正直摄影，并将拍摄的数字影像输入计算机。c.处理拍摄的数字影像，增强其色彩，改变图像的大小等。d.将图像传入AutoCAD，用3维和二维的图形编辑功能对所要表达的细节浮雕花纹进行描绘和编辑。最后创建细节模型。e.对悬鱼的细节模型和框架模型进行套合以及三位编辑，最终构成悬鱼DSM。

结束语

在严格的控制数据技术的基础上，搭配高精度的数码相机，会更好地体现出PhotoModeler-AutoCAD-DSM方法的作用。在获取古建筑工程中的复杂表面构件模型时，逼真地表现出构件的艺术造型。

参考文献

[1]徐树奎，张军，涂丹，李国辉.继承颠覆与超越――计算摄影[J].计算机研究与发展，2012（1）.

[2]周乾，阎维明.CFRP加固古建筑榫卯节点抗震试验[J].东南大学学报，2011（2）.

[3]李晓峰，张瑜，罗念武.摄影测量中环状编码点的检测方法[J].现代制造工程，2012（2）.