鄉(xiāng)村古建筑保護中無人機航測技術(shù)的應(yīng)用

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【摘要】文章以涪陵區(qū)某莊園古建筑保護為例，采用小型無人機開展航測實驗，建立建筑實景三維模型，并驗證了模型的精度。實驗表明，無人機航測技術(shù)在鄉(xiāng)村古建筑保護中有一定的優(yōu)勢，為鄉(xiāng)村古建筑的現(xiàn)狀分析、后續(xù)開發(fā)利用提供了一條可行的技術(shù)手段。 

【關(guān)鍵詞】無人機航測技術(shù)；鄉(xiāng)村；古建筑；實景三維模型

1引言

古建筑是社會進步、經(jīng)濟繁榮、文化昌盛的標(biāo)志，它以獨特的形式承載了大量的歷史信息，是各地區(qū)獨特鄉(xiāng)土文化的集中體現(xiàn)[1]。但現(xiàn)實中，傳統(tǒng)民間建筑的傳承、保護與開發(fā)仍處于十分尷尬的境地，具體措施往往滯后[2]。改革開放以來，城市建設(shè)飛速發(fā)展，鄉(xiāng)村居民逐漸向城市搬遷，由于早期沒有對古建筑進行相應(yīng)的評估，且許多民間古建筑長時間無人看管維護，使很多古建筑在城鄉(xiāng)建設(shè)途中逐漸消亡[3]。目前，還沒開發(fā)并保護相對完好的古建筑，大多分布在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村中[4]。隨著第三產(chǎn)業(yè)的興起以及人民生活水平的大幅提高，旅游業(yè)服務(wù)需求激增，因此，各地開始打造文化旅游基地，挖掘歷史人物、名勝古跡，打造了一批如“麗江古城、同里古鎮(zhèn)、鳳凰古城、磁器口古鎮(zhèn)”等歷史文化名鎮(zhèn)，為地方經(jīng)濟的發(fā)展帶來了極大品牌效應(yīng)。然而，偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的經(jīng)濟發(fā)展較為落后，古跡文化的挖掘程度還不夠高，原始素材獲取手段較為單一，因此采用一種新型技術(shù)手段，對鄉(xiāng)村古建筑現(xiàn)狀進行分析，建立照片、影像及三維實景模型等多維資料，進而開展古建筑保護、鄉(xiāng)村景點打造，對貧困鄉(xiāng)村的經(jīng)濟發(fā)展有很大的推動意義。

2無人機航測技術(shù)的優(yōu)勢

無人機航測系統(tǒng)是以無人機為飛行平臺，搭載相機、激光雷達、三維激光掃描、熱紅外、高光譜等設(shè)備，以飛控軟件控制其自主飛行，獲取所需遙感數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。無人機航測技術(shù)相對于衛(wèi)星遙感技術(shù)，具備工作方式比較靈活，生產(chǎn)周期較短，適合于中小范圍地形勘察或三維建模項目，相對于傳統(tǒng)測繪技術(shù)，具備二維及三維成果豐富、不需要點位間通視，勞動強度低、工作相對安全等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)工程規(guī)劃設(shè)計、國土資源管理與開發(fā)、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理、電力水利行業(yè)巡線安檢、智慧城市等領(lǐng)域，尤其是在工程測繪、國土資源調(diào)查監(jiān)測、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[5]。在古建筑保護中，覆蓋區(qū)域較小，因此旋翼無人機相對于另外兩種類型無人機，具備起飛條件機動靈活、數(shù)據(jù)采集方便、影像處理及時高效、設(shè)備維護成本較低等優(yōu)點，因此，利用旋翼無人機以遙感測量技術(shù)手段，利用航拍影像建立古建筑的實景三維模型，有利于降低人工作業(yè)風(fēng)險，更適合古建筑遺產(chǎn)保護工作[6]。

3古建筑應(yīng)用實例

3.1古建筑概況

本次實驗選址為陳萬寶莊園，位于重慶涪陵區(qū)青羊鎮(zhèn)，為穿枓木結(jié)構(gòu)，兩重堂四合院帶附院一樓一底建筑，建筑面積在10hm2以上，其建筑結(jié)構(gòu)、建筑風(fēng)格、建筑設(shè)計、建筑藝術(shù)堪稱民居精品，素有川東陳萬寶，川西劉文彩之說法[7]。但是，由于位處偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村和以前保護意識不夠強，在鄉(xiāng)村改造中其主樓已被拆除，目前莊園其他建筑保護及配套設(shè)施建設(shè)也不夠完備，制約了新時代鄉(xiāng)村旅游資源的開發(fā)，為此，采用無人機航測技術(shù)開展應(yīng)用研究，獲取三維模型及影像資料，助力古建筑保護。

3.2航測實驗開展

莊園建筑為兩層磚木結(jié)構(gòu)，且建筑區(qū)域相對平坦，因此以大疆精靈4Pro無人機開展航測實驗。實驗中，將無人機飛行到一定高度，運用手動航拍模式，先將攝像頭調(diào)至向下90°，每隔一定距離拍攝正射影像，之后將攝像頭調(diào)至向下45°，同樣手段拍攝四個方向傾斜影像，共計150張，航拍位置如圖1所示。

3.3建筑三維模型制作

目前，建筑傾斜實景三維建模軟件主要有Pix4D、ContextCapture、Photoscan、Inpho、Mirauge3D等，各處理軟件均有其特點。本次實驗像片處理采用ContextCapture軟件，該軟件綜合性能較好，且智能化極強，處理較為便捷。模型制作過程如下。1）新建工程設(shè)置工程路徑，將像片導(dǎo)入軟件中，檢查像片參數(shù)，屬性一般默認(rèn)設(shè)置，添加像控點并進行刺點工作，提交空中三角測量。若空三運行正確，則進入下一步，若空三出現(xiàn)錯誤，則需檢核刺點位置、控制點信息等是否準(zhǔn)確，檢查路徑重新提交即可。2）新建重建項目根據(jù)運行電腦RAM確定切塊大小，編輯空間框架，對工程范圍進行裁切，設(shè)定好之后，即可提交新的生產(chǎn)項目。3）設(shè)定輸出形式根據(jù)產(chǎn)品需求，設(shè)定輸出成果形式，打開引擎，軟件自行計算。4）檢查三維模型效果可用Acute3DViewer軟件打開場景數(shù)據(jù)，檢查三維模型處理效果，經(jīng)過與實測數(shù)據(jù)進行驗證，實景模型成果精度在cm級，模型效果較好，量測對比示意圖如圖2所示。經(jīng)過實驗，可見消費型無人機在古建筑保護，尤其是前期規(guī)劃、三維模型資料獲取方面有很大的優(yōu)勢，其投入成本和技術(shù)難度不高，對鄉(xiāng)村古建筑保護有很大的應(yīng)用價值，尤其是在古建筑保護立項申報前或維護經(jīng)費不足等環(huán)節(jié)中得到充分的應(yīng)用。另外，為保證模型的完整度，尤其是在遮擋區(qū)域，還需要地面補拍，協(xié)同處理，彌補模型中部分空洞或模糊情況，得到較好的三維實景模型。如果需要更高精度的三維實景模型，如mm級，則需借助三維激光掃描技術(shù)來完成，這個投入就相對要大一些了，可在后續(xù)精細(xì)三維模型建設(shè)中使用。

4結(jié)語

通過無人機航測技術(shù)建立三維實景模型在各領(lǐng)域中的應(yīng)用已十分廣泛，三維實景模型技術(shù)的發(fā)展，對鄉(xiāng)村古建筑的現(xiàn)狀挖掘、保護修復(fù)以及地方特色景區(qū)的打造推廣有極大的意義。因此，無人機航測技術(shù)作為一種新型的技術(shù)手段，持續(xù)挖掘西南片區(qū)鄉(xiāng)村古建筑的特色，促進古建筑保護和地方經(jīng)濟一體化發(fā)展，為貧困鄉(xiāng)村脫貧攻堅提供一條可行的思路。

參考文獻

[1]永樂古建.民間古建筑保護可謂任重而道遠(yuǎn)仍需不斷探索[EB/OL].

[2]樊雯，方大蓉.城市化進程中的歷史文化堅守——望水古鎮(zhèn)建筑文化的保護與傳承[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2017，34(5):113-118.

[3]宋磊.古建筑保護中的新技術(shù)應(yīng)用[J].城市建筑，2020，17(21):136-137.

[4]段德罡，劉波，申研.以“用”促“?！薄惤瓕毶绞^城保護實踐[J].華中建筑，2012，30(6):123-127.

[5]2019世界無人機大會無人機測繪行業(yè)交流論壇[J].中國公共安全，2019(8):26.

[6]閆宇，李哲，張玉坤，張鳳梧.“空地協(xié)同”的古建筑測繪方法初探——北京壽皇殿建筑群實施案例分析和總結(jié)[J].古建園林技術(shù)，2015(4):81-86.

[7]360百科.陳萬寶莊園[EB/OL].

作者：袁士才 劉書婷 唐忠海 陳章傑 單位：長江師范學(xué)院