傾斜攝影測量技術(shù)在西藏文物建筑保護中的應(yīng)用

王達標

摘 要：近年來，相關(guān)人員在保護和修復(fù)西藏文物建筑時，會使用傾斜攝影測量技術(shù)來獲取文物建筑的全彩色三維數(shù)據(jù)。這種測量技術(shù)比傳統(tǒng)測量技術(shù)更加快捷、高效。概述運用傾斜攝影測量技術(shù)進行三維建模的實踐案例，分析這一技術(shù)在西藏文物建筑保護中運用存在的問題，并指出傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用前景，對西藏文物建筑的保護具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量技術(shù);西藏文物建筑;三維建模

基金項目：本文系西藏大學(xué)培育基金項目“西藏傳統(tǒng)寺廟總體形態(tài)特征及動因分析——以拉薩三大寺為例”（ZDQMJH18-07）、西藏大學(xué)環(huán)喜馬拉雅區(qū)域建筑研究“環(huán)喜馬拉雅區(qū)域建筑研究”（ZFYJY201902015）研究成果。

文物建筑是一個時代和地區(qū)精神文化與歷史特征的載體，是珍貴的物質(zhì)和精神財富，保護文物建筑對我國傳統(tǒng)文化的傳承具有積極作用。近年來，我國越來越重視文物建筑的保護工作。2018年10月8日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加強文物保護利用改革的若干意見》，對文物保護利用改革工作提出了更高的要求，對新時代文物事業(yè)改革發(fā)展進行了全面部署。我國之前對文物建筑進行總體測繪主要依靠人力，之后逐漸開始將三維掃描儀作為收集點云數(shù)據(jù)的工具。由于三維掃描儀視角具有局限性，因此無法完整地拼接出全面的三維點云數(shù)據(jù)，這給文物建筑頂面點云數(shù)據(jù)及地形點云數(shù)據(jù)的采集造成了一定的影響。

與此同時，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展也給西藏傳統(tǒng)文物建筑保護帶來了許多新的挑戰(zhàn)。西藏地區(qū)大量的文物建筑處于地質(zhì)條件較危險的山區(qū)地帶，難以抵御自然環(huán)境的急劇變化。再加上西藏文物建筑大多缺少三維數(shù)據(jù)，建筑一旦被破壞就難以修復(fù)。此外，文化旅游業(yè)的飛速發(fā)展使西藏大量文物建筑承受游客不間斷參觀的壓力，這會給建筑的木結(jié)構(gòu)帶來持續(xù)且不可預(yù)見的傷害。因此，西藏地區(qū)文物保護工作迫在眉睫。傳統(tǒng)的人力測繪加三維掃描的模式難以獲取文物建筑群落精準的空間位置信息，而利用傾斜攝影測量技術(shù)則可以快速建立文物建筑全景式、全色彩的三維模型，清晰地展現(xiàn)建筑與周圍環(huán)境的地形及位置關(guān)系。該技術(shù)還支持后期的數(shù)據(jù)分析研究，能夠建立三維模型數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)文物建筑的數(shù)字化保存。

一、傾斜攝影測量技術(shù)

在傳統(tǒng)建筑的保護過程中，最基礎(chǔ)的工作就是對傳統(tǒng)建筑物本體進行有效測量，獲得建筑物三維表征的各項數(shù)據(jù)。在這個過程中，需要對三維建筑實體進行二維數(shù)據(jù)測量，然后利用大量的二維數(shù)據(jù)重新拼合出三維建筑實體。雖然以這樣的方式進行測量可以得出三維建筑模型，但這種方法也具有一定的局限性。

如果在測量時使用傾斜攝影測量技術(shù)，則首先要對測量對象進行不同角度且有一定重疊率的拍攝，這一過程往往用無人機加五向鏡頭來完成。其次是要通過軟件對不同影像間的相同像素點進行三角測量的處理及計算，在數(shù)字世界生成虛擬現(xiàn)實的三維模型數(shù)據(jù)庫，以此來實現(xiàn)測量對象的數(shù)字化。在測量中使用這一技術(shù)，相對傳統(tǒng)測量而言更加真實、快捷、高效。而且利用數(shù)字化技術(shù)保存文物古建筑各項形式的數(shù)據(jù)和空間位置關(guān)系等重要資源，可以實現(xiàn)對瀕危文物資源科學(xué)、高精度且永久的保存。

這一技術(shù)的運用對西藏文物建筑而言最大的優(yōu)勢就是能夠把建筑物同周圍地形環(huán)境一同建模。西藏的文物建筑大多建在地貌復(fù)雜、高低差較大的山地上，因此需要格外重視地形對文物建筑安全、整體風(fēng)貌、藝術(shù)景觀等方面的影響。

二、應(yīng)用實例：熱瑪強康拉康

（一）實例概況

熱瑪強康拉康位于西藏自治區(qū)拉薩市林周縣卡孜鄉(xiāng)克布村，是一座藏傳佛教寺院。該寺始建于公元1015年，2009年，被列為西藏自治區(qū)文物保護單位。熱瑪強康拉康現(xiàn)有建筑由經(jīng)堂、拉章、僧舍等建筑組成，寺內(nèi)主供強巴佛，為林周“澎波強巴三兄弟”之一，號稱“念列強巴佛（意思為耳美）”。寺內(nèi)珍藏大量佛教塑像、佛塔等文物，具有較高的歷史及藝術(shù)價值。該寺所在地海拔接近4200米，其下是160余米高的陡峭山坡，背后依靠像五指山一樣百米高的懸崖峭壁，地勢極其險峻，建筑嵌在崖體之上，山寺融為一體，分布面積2000多平方米，利用傳統(tǒng)方法測量難度極大（圖1）。

（二）主要步驟

通過傾斜攝影測量技術(shù)獲得整個地理環(huán)境與建筑關(guān)系的三維全彩數(shù)字模型、DSM、正射影像及DWG總平面圖，整個過程安全、快捷、真實、高效。無人機以 Phantom 4 Pro V2.0為例，后期數(shù)據(jù)處理軟件以Context Capture為例，主要步驟如下。

一是要檢查無人機設(shè)備的狀態(tài)。檢查電池電量是否能夠滿足飛行所需時間;檢查飛控軟件與無人機之間是否進行了有效連接。此外，針對不同的拍攝對象，應(yīng)給無人機鏡頭設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)。

二是通過現(xiàn)場勘察確定需要測量的區(qū)域范圍，從而規(guī)劃無人機的航線。要確認無人機飛行高度及航向重疊率、旁向重疊率、鏡頭角度等參數(shù)。無人機飛行高度越低，照片重疊率越高;無人機滯空時間越長，數(shù)據(jù)量越大，模型質(zhì)量就越高。

三是操控?zé)o人機飛行。在這個過程中，若臨近山崖峭壁，則需要在設(shè)定好航測高度后，先手動操控?zé)o人機起飛到航測高度，然后讓其飛臨區(qū)域范圍的各邊緣點。相關(guān)人員要實時檢查自主飛行過程中無人機是否存在撞擊風(fēng)險。

四是讓無人機自主飛行。無人機利用航測軟件進行自主定位拍攝，且在飛行過程中相關(guān)人員要隨時關(guān)注風(fēng)速和接收信號的強度對自主航測的影響，要盡量做到肉眼觀察，避免無人機信號丟失的情況發(fā)生。

五是當(dāng)飛行時長超過無人機的續(xù)航時間時，需要手動更換電池，通過多次飛行來完成數(shù)據(jù)的采集工作。

六是檢查圖像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入工作站，在Context Capture軟件中調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，進行空三加密和三維建模、正射影像的生成。此外，還可以根據(jù)需求轉(zhuǎn)換不同的數(shù)據(jù)格式，利用測繪軟件繪制出總平面圖（圖2）。

（三）存在的問題及注意事項

其一，西藏文物建筑所在的地域往往地形復(fù)雜、氣候多變且海拔較高。相關(guān)人員在設(shè)定無人機飛行高度時要極為慎重。在飛行拍攝過程中，受氣候、地形等因素的影響，信號丟失的狀況頻發(fā)，因此操作者需要不間斷地觀察飛機的狀態(tài)，及時處理特殊情況。

其二，西藏文物建筑組合復(fù)雜，外形特殊，尤其是檐口部位，厚度較大且細節(jié)煩瑣，三維數(shù)字模型容易出現(xiàn)檐口鼓包等情況，致使正射影像失真。這就需要后期在Context Capture軟件中通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)進行處理。

其三，西藏陽光強烈，空氣通透度高，建筑明暗光比極大。因此，可適當(dāng)加拍建筑的陰影部位，加入空三運算以提升建筑陰影部分的生成效果。

其四，運用傾斜攝影測量技術(shù)得到的圖像數(shù)據(jù)量十分龐大，處理起來需要耗費大量時間。因此，可以使用配置較高的計算機或使用計算機集群來聯(lián)網(wǎng)處理，以提高后期出圖的工作效率。

（四）三維數(shù)據(jù)的分析和利用

三維數(shù)據(jù)可以輕松轉(zhuǎn)化為二維數(shù)據(jù)，相關(guān)研究人員可以使用二維數(shù)據(jù)對文物建筑存在的問題進行分析和研究。此外，相關(guān)人員也可以直接基于成果影像進行高度、長度、面積、角度、坡度、土方量等量測。這極大地拓展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用范圍（圖3）。

通過對數(shù)據(jù)的整理分析，可以深入探索西藏文物建筑的保護利用和監(jiān)督機制，從而為文物建筑群體的防災(zāi)減災(zāi)、消防預(yù)警、數(shù)字化保護研究、后疫情時代背景下的智慧旅游等相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

三、結(jié)語

西藏是文物建筑大省，其建筑具有鮮明的民族特色，且眾多的文物建筑處于地形較為復(fù)雜、海拔較高的區(qū)域。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和旅游人數(shù)的攀升，相關(guān)部門要建立文物建筑的數(shù)據(jù)資料庫和保護監(jiān)督機制，并且要制定新時代背景下文物建筑的保護、展示和利用新機制。而運用傾斜攝影測量技術(shù)能夠為相關(guān)研究提供支持，因此，相關(guān)部門應(yīng)深入探索研究傾斜攝影測量技術(shù)，為西藏文物建筑保護工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)。

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作者單位：

西藏大學(xué)工學(xué)院、西藏大學(xué)中國藏學(xué)研究所（珠峰研究院）