[发明专利]古建筑顶部摄影测量用标靶布设装置及布设方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑遗产数字化，测绘、测量，以及图像处理等综合应用技术领域。

背景技术

一、古建筑测量技术

(1)古建筑测绘需求与测量设备发展概况：

古代建筑在建设之初所用图纸多已流失，因此古建筑测绘成为古建筑保护的首要工作之一。当前古建筑测绘已发展到数字化阶段，地面三维激光扫描、低空摄影测量替代尺子作为获取高密度数据的两种最主流手段。地面激光扫描受到地面作业的低角度局限，古建筑上半部、顶部获得去的数据常出现稀疏、缺漏；如果古建筑体量高大，或者受到地形、周围树木遮挡等影响，甚至常出现顶部数据盲区。低空摄影测量是使用无人垂直起降飞行器携带相机在古建筑附近实施围绕飞行拍摄，通过摄影测量软件的处理生成密集点云数据。低空摄影测量机位可以自由调整，避开地面植物遮挡，因此低空摄影测量更具有技术优势。

低空摄影测量和地面激光扫描两者都依赖全站仪提供控制点坐标，以建立正确的坐标系，控制点的精度是测绘的关键点之一，而控制点的精度不仅基于全站仪设备固有精度，也受目标反射率、人为瞄准精度等影响，因此建筑物自然特征点的质量不高，如要提高精度水平，就需要人工标靶。

(2)现有各种测量标靶及其重要性、常见布设方法：

标靶是黑白反差明显、有明确几何中心、以一定数量分散贴在被测物体上的人工标志物(图2)，因为古建筑多自由曲面且存在破损，建筑构件重复度高容易混淆，因此如果不布设人工标靶，全站仪瞄准自然纹理、图案很容易出错，而人工布设的标靶具有明确的轮廓、准确的几何中心，不会和建筑上的图案混淆，能够极大提高定位的精确性。自然特征点除了几何中心不易确定的缺点外，古建筑不同构件的材料不同(例如琉璃、玻璃、木材等)，反射性不同，也容易导致全站仪无法读数或读数不准，而人工标靶统一制作，表面反射性相同，可避免上述问题，提高读数可靠性。

标靶的一般布设要求包括：a.在测绘全过程中必须固定不动。目前标靶布设大多采用人员在墙上粘贴等方式布设以保证牢固不动(图3)。b.在一场景中，控制点(标靶)数量必须多于三个，多出来的标靶可用于校核测量精度。c.控制点标靶应尽可能分散布设在古建筑上高、低、前、后各个不同的位置，对于高大古建筑，在建筑顶部也应布设。在墙面贴的标靶不能替代古建筑顶部标靶。根据标靶均布原则，必须在建筑顶部，尤其是塔楼、高耸建筑最高处布置标靶，才能达到测量控制的目的。此外为了发现顶部沉陷、倾斜等病害，或者详细测绘吻兽等细节装饰构件，也需要准确的控制点标靶，否则单独摄影测量获得的吻兽精细数据与建筑整体数据拼合时容易产生拼缝、重叠等问题。

(3)当前标靶布设存在的主要问题：

当前标靶布设面临的最主要难题是建筑高处标靶布设困难。地面或墙面低处测量标靶人工布设容易，古建筑高处或顶部标靶布设需要搭梯攀爬，不仅存在人员安全风险，而且有可能会踩坏顶部瓦件，如果使用起重车，则在古建筑院内运输困难、操作不灵活。鉴于上述困难，目前测绘标靶的布设大多限于地面，对于塔楼这样的建筑精度难于保证，也难于对吻兽细节测绘进行精确控制。

因此，快捷、安全地在高大建筑上部布设标靶是古建筑低空高精度摄影测量急需解决的难题。

二、古建筑色彩准确获取技术

(1)古建筑色彩准确获取技术及其与摄影测量的结合：

古建筑的重建、修缮都要求对其构件表面色彩准确获取，而相机拍摄效果受到光照强度、色温、构件朝向、相机参数等多种因素影响，数值不可能准确，因此目前拍摄过程中都要使用标准色卡用于校色，最简单的色卡是中性灰色卡，可以校正曝光强弱、偏色等基本问题(图4)，复杂的如24色卡(图5)甚至更多颜色的色卡，可以对某个颜色进行更为精确的度量。中性灰色卡是基本的、最常用到的颜色校正工具。

低空摄影测量是基于高质量照片生成点云，因此点云自动带有照片的色彩，可直接投影生成尺寸准确的“彩正射影像”，是古建筑测绘的新型成果。为了让正射影像不仅尺寸准确，颜色也准确还原，就需要使用色卡对曝光强弱、偏色问题进行校正。

(2)建筑各部位色卡的快捷布设亦是古建筑色彩准确获取的难题：

在墙根边放置色卡是最主要的校色工作模式，但由于古建筑立面上不同部位、不同构件处在不同的照明条件下，因此墙根边竖立的色卡只能用于校正附近墙面颜色，并不能准确校正檐下昏暗环境中的斗拱，或者坡屋顶表面。

地面放置的色卡校正效果有限，但色卡在高处的布设也同样面临人员攀爬、设备举升等难题，因此目前较少实施。

发明内容