影像RTK助力历史建筑保护，记录历史，传承文明，精细化建模，让历史建筑“活”起来
发布时间：2022-10-19 09:34:35
历史建筑是人类物质文明和精神文明的产物，是人类历史的见证留存。由于自然地理气候等原因，历史建筑逐渐破败消亡，保护历史建筑传承历史刻不容缓。近年来，通过实景三维技术对历史建筑进行精细化重建，能够有效的实现文物全方位的、立体化的数字化管理存档，有利于形成文物数字治理新格局。中海达影像RTK助力历史建筑保护，记录历史，传承文明，精细化建模，让历史建筑“活”起来！
项目背景
本项目对两处故居进行了精细化三维模型的生产，一处是黄兴故居，二处是许光达故居。其中，黄兴故居建于清同治初年，是伟大的辛亥革命元勋黄兴的故居，现为全国重点文物保护单位，占地面积约6.45亩;许光达故居建于清光绪三十四年，是中国人民解放军开国大将、军事家许光达的故居，现为第五批湖南省爱国主义教育基地，占地面积约1.62亩。
根据传统建筑的特点与实际需求，项目要求生成具备高分辨率和高精细度(分辨率应在1cm内)的建筑实景模型。同时，建筑的细部构造，特别是立面、檐下的建筑要素(如斗拱、立柱、挑檐等)、文化要素(如楹联、牌匾、装饰等)均应清晰展现。
黄兴故居
许光达故居
痛点分析
传统三维建模多采用无人机倾斜摄影建模，但由于以下难点，仅靠无人机建模远不能满足上述项目需求：
一、角度、距离等原因，拍摄的立面纹理不够精细;
二、由于传统建筑具有较宽的屋檐，斗拱、牌匾等檐下建筑纹理无法拍摄到;
三、建筑周围栽种有茂密的树木，在树木的遮挡下，无人机无法采集到建筑立面的纹理。
因此，满足大比例尺测图需要的无人机倾斜摄影技术，无法满足建筑精细建模的项目需求。为弥补无人机倾斜摄影技术建模方法的缺陷，我们通常采用以下方法加以补充：
一是手动控制无人机对建筑立面和细部进行补拍，这种方法只适用于高大建筑且建筑周边有足够净空的情况，本项目拍摄的故居只有一层，加上旁边有高大树木，该方法实施有较大安全风险，不宜使用;
二是地面上人工持普通相机对建筑立面和细部进行补拍，这种方法比较适合民居建筑，但是由于普通相机照片不带有精确的POS位置数据，且与航测照片缺乏有效的分层与重叠，后期内业处理时，与航测照片融合空三建模操作会非常繁琐，而且普通相机与航测相机还存在较大差异(分辨率与CMOS像点尺寸等)。
实施方案
针对项目痛点，项目采用了中海达影像RTK V5(下称中海达影像RTK)+无人机协同作业的方案进行精细化三维模型的生产。其中，空中利用无人机倾斜摄影采集屋顶和立面的影像，地面使用中海达影像RTK针对屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期内业分别进行空三，然后直接合并空三结果进行三维建模。
空地融合建模技术路线图
这套方案拥有两大优势，一是中海达影像RTK是一款将GNSS RTK和近景摄影测量技术相结合的影像RTK，它最大的特点就是拍摄的影像都带有准确的POS数据(RTK级别的精度);二是无人机影像和地面影像均具有相同坐标系统的POS数据，内业空三计算时，无需通过设置连接点或者像控点来融合空中影像和地面影像，内业操作变繁为简，极大减轻了内业操作人员的劳动强度。
中海达影像小碟RTK V5
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项目内外业实施
外业实施
(1)无人机倾斜摄影
空中倾斜摄影使用国内某品牌无人机，采用倾斜摄影航拍。
(2)影像RTK地面近景摄影
对需要重点采集的建筑立面，以及被树木遮挡的墙面，使用中海达影像RTK进行近景摄影补拍。
作业人员使用中海达影像RTK对黄兴故居进行近景拍摄
拍摄方法一般以一个立面为对象，进行相邻有重叠、机位有远近、视角可倾斜的拍摄。
在外业实施过程中，无人机倾斜摄影和中海达影像RTK地面近景摄影补拍时，必须采用相同坐标系统和高程系统。本项目使用中国移动CORS基站，国家2000坐标系，大地高。经过两个小时的作业，两个故居顺利完成了外业数据采集。
数据处理
将无人机采集的航摄照片与中海达影像RTK地面采集的建筑近景照片各自进行空三处理，最后再合并所有空三结果进行三维建模。
中海达影像RTK单独空三结果(黄兴故居院门正立面)
中海达影像RTK合并空三结果(黄兴故居院门正立面)
空三结果合并图(许光达故居)
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成果展示
通过生成的三维模型可以看到，采用中海达影像RTK在地面补拍的照片，极大地改善了建筑立面的纹理效果，并补充了无人机倾斜摄影缺失的檐下构件和树木遮挡缺失导致的建筑模型拉花空洞等问题。
黄兴故居三维模型整体效果图
许光达故居三维模型整体效果图
通过与无人机倾斜摄影的三维模型成果对比，此次生成的三维模型能清晰的展现建筑的细部构造，无论是立面、檐下、树下的建筑要素，还是建筑配套的文化要素均能得到精细化的展示，满足了项目的需求。
▲黄兴故居正立面模型对比
▲黄兴故居屋后被树木遮挡部分的模型对比
▲许光达故居让衔碑模型对比
项目总结
通过本项目的实施，可以得出以下结论：
(1)使用中海达影像RTK在地面进行补拍的同时，可以与无人机航拍协同作业，两个小时完成占地总面积8.07亩的两个故居外业数据采集，作业效率高;
(2)中海达影像RTK拍摄的照片带有POS数据，且与无人机航空照片具有相同的坐标系，内业建模时无需使用连接点，可以直接合并空三成果建模，简化了内业操作流程，减少了内业工作量，提高了内业处理效率;
(3)无人机和中海达影像RTK两者相关参数接近，影像分辨率差异小，建模融合性强，生成的三维模型自然、精细;
(4)采用中海达影像RTK在地面补拍的照片，有效补充和改善了建筑局部细节、纹理，解决了屋檐下和被树木遮挡的建筑纹理获取难题。
素材来源：湖南交通职业技术学院路桥学院无人机工作室和建筑工程学院
文章内容来源：中海达小碟
项目背景
本项目对两处故居进行了精细化三维模型的生产，一处是黄兴故居，二处是许光达故居。其中，黄兴故居建于清同治初年，是伟大的辛亥革命元勋黄兴的故居，现为全国重点文物保护单位，占地面积约6.45亩;许光达故居建于清光绪三十四年，是中国人民解放军开国大将、军事家许光达的故居，现为第五批湖南省爱国主义教育基地，占地面积约1.62亩。
根据传统建筑的特点与实际需求，项目要求生成具备高分辨率和高精细度(分辨率应在1cm内)的建筑实景模型。同时，建筑的细部构造，特别是立面、檐下的建筑要素(如斗拱、立柱、挑檐等)、文化要素(如楹联、牌匾、装饰等)均应清晰展现。
黄兴故居
许光达故居
痛点分析
传统三维建模多采用无人机倾斜摄影建模，但由于以下难点，仅靠无人机建模远不能满足上述项目需求：
一、角度、距离等原因，拍摄的立面纹理不够精细;
二、由于传统建筑具有较宽的屋檐，斗拱、牌匾等檐下建筑纹理无法拍摄到;
三、建筑周围栽种有茂密的树木，在树木的遮挡下，无人机无法采集到建筑立面的纹理。
因此，满足大比例尺测图需要的无人机倾斜摄影技术，无法满足建筑精细建模的项目需求。为弥补无人机倾斜摄影技术建模方法的缺陷，我们通常采用以下方法加以补充：
一是手动控制无人机对建筑立面和细部进行补拍，这种方法只适用于高大建筑且建筑周边有足够净空的情况，本项目拍摄的故居只有一层，加上旁边有高大树木，该方法实施有较大安全风险，不宜使用;
二是地面上人工持普通相机对建筑立面和细部进行补拍，这种方法比较适合民居建筑，但是由于普通相机照片不带有精确的POS位置数据，且与航测照片缺乏有效的分层与重叠，后期内业处理时，与航测照片融合空三建模操作会非常繁琐，而且普通相机与航测相机还存在较大差异(分辨率与CMOS像点尺寸等)。
实施方案
针对项目痛点，项目采用了中海达影像RTK V5(下称中海达影像RTK)+无人机协同作业的方案进行精细化三维模型的生产。其中，空中利用无人机倾斜摄影采集屋顶和立面的影像，地面使用中海达影像RTK针对屋檐、斗拱、牌匾等檐下部分采集建筑立面的影像，后期内业分别进行空三，然后直接合并空三结果进行三维建模。
空地融合建模技术路线图
这套方案拥有两大优势，一是中海达影像RTK是一款将GNSS RTK和近景摄影测量技术相结合的影像RTK，它最大的特点就是拍摄的影像都带有准确的POS数据(RTK级别的精度);二是无人机影像和地面影像均具有相同坐标系统的POS数据，内业空三计算时，无需通过设置连接点或者像控点来融合空中影像和地面影像，内业操作变繁为简，极大减轻了内业操作人员的劳动强度。
中海达影像小碟RTK V5
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项目内外业实施
外业实施
(1)无人机倾斜摄影
空中倾斜摄影使用国内某品牌无人机，采用倾斜摄影航拍。
(2)影像RTK地面近景摄影
对需要重点采集的建筑立面，以及被树木遮挡的墙面，使用中海达影像RTK进行近景摄影补拍。
作业人员使用中海达影像RTK对黄兴故居进行近景拍摄
拍摄方法一般以一个立面为对象，进行相邻有重叠、机位有远近、视角可倾斜的拍摄。
在外业实施过程中，无人机倾斜摄影和中海达影像RTK地面近景摄影补拍时，必须采用相同坐标系统和高程系统。本项目使用中国移动CORS基站，国家2000坐标系，大地高。经过两个小时的作业，两个故居顺利完成了外业数据采集。
数据处理
将无人机采集的航摄照片与中海达影像RTK地面采集的建筑近景照片各自进行空三处理，最后再合并所有空三结果进行三维建模。
中海达影像RTK单独空三结果(黄兴故居院门正立面)
中海达影像RTK合并空三结果(黄兴故居院门正立面)
空三结果合并图(许光达故居)
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成果展示
通过生成的三维模型可以看到，采用中海达影像RTK在地面补拍的照片，极大地改善了建筑立面的纹理效果，并补充了无人机倾斜摄影缺失的檐下构件和树木遮挡缺失导致的建筑模型拉花空洞等问题。
黄兴故居三维模型整体效果图
许光达故居三维模型整体效果图
通过与无人机倾斜摄影的三维模型成果对比，此次生成的三维模型能清晰的展现建筑的细部构造，无论是立面、檐下、树下的建筑要素，还是建筑配套的文化要素均能得到精细化的展示，满足了项目的需求。
▲黄兴故居正立面模型对比
(左侧展示的是融合无人机与中海达影像RTK数据后的三维模型成果，右侧展示的是无人机倾斜摄影的三维模型成果)
▲黄兴故居屋后被树木遮挡部分的模型对比
(左侧展示的是融合无人机与中海达影像RTK数据后的三维模型成果，右侧展示的是无人机倾斜摄影的三维模型成果)
▲许光达故居让衔碑模型对比
(左侧展示的是融合无人机与中海达影像RTK数据后的三维模型成果，右侧展示的是无人机倾斜摄影的三维模型成果)
项目总结
通过本项目的实施，可以得出以下结论：
(1)使用中海达影像RTK在地面进行补拍的同时，可以与无人机航拍协同作业，两个小时完成占地总面积8.07亩的两个故居外业数据采集，作业效率高;
(2)中海达影像RTK拍摄的照片带有POS数据，且与无人机航空照片具有相同的坐标系，内业建模时无需使用连接点，可以直接合并空三成果建模，简化了内业操作流程，减少了内业工作量，提高了内业处理效率;
(3)无人机和中海达影像RTK两者相关参数接近，影像分辨率差异小，建模融合性强，生成的三维模型自然、精细;
(4)采用中海达影像RTK在地面补拍的照片，有效补充和改善了建筑局部细节、纹理，解决了屋檐下和被树木遮挡的建筑纹理获取难题。
素材来源：湖南交通职业技术学院路桥学院无人机工作室和建筑工程学院
文章内容来源：中海达小碟
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