無人機(jī)在古建筑保護(hù)中的運(yùn)用探討

鐘明劍

摘 要：古建筑保護(hù)意義重大，而測(cè)繪是古建筑保護(hù)的前提條件，傳統(tǒng)方法很難保證古建筑信息的健全，也可能會(huì)造成二次破壞，因此引入無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行古建筑測(cè)繪很有必要。文章探討了無人機(jī)在古建筑保護(hù)中的運(yùn)用，重點(diǎn)討論了無人機(jī)測(cè)繪的應(yīng)用方式，并簡(jiǎn)要列舉了無人機(jī)在古建筑保護(hù)中的一些其他應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：古建筑保護(hù);無人機(jī)測(cè)繪;應(yīng)用場(chǎng)景

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.02.017

古建筑是非常重要的歷史文化遺產(chǎn)，也是國(guó)家文明的重要標(biāo)志。我國(guó)的古建筑承載著悠久的歷史文化以及精湛的建筑技藝，并且具有鮮明的地域特征與濃郁的人文精神，具有非常高的歷史、科學(xué)和藝術(shù)價(jià)值?！吨袊?guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》將幾十年來特別是新中國(guó)成立以來，中國(guó)文物保護(hù)工作及其積累的豐富經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并且點(diǎn)明了我國(guó)文物古跡的保護(hù)理論。在古建筑保護(hù)領(lǐng)域，一些先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用起來。特別是在古建筑測(cè)繪領(lǐng)域，應(yīng)用了很多先進(jìn)的技術(shù)手段，無人機(jī)測(cè)繪因?yàn)槠潇`活方便、成本低廉等特點(diǎn)，在古建筑保護(hù)領(lǐng)域擁有非常廣闊的前景。

1 古建筑保護(hù)

古建筑具有非常高的價(jià)值，包括歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。歷史價(jià)值方面，古建筑反映一定歷史時(shí)間內(nèi)一些重要的事件或重要人物曾經(jīng)在其中的活動(dòng)，并且真實(shí)反映這些事件或人物的歷史環(huán)境，體現(xiàn)某一歷史時(shí)間內(nèi)的物質(zhì)生產(chǎn)、思想觀念、風(fēng)俗習(xí)慣、生活方式等。藝術(shù)價(jià)值方面體現(xiàn)在建筑藝術(shù)、景觀藝術(shù)、造型藝術(shù)等，古建筑具有非常典型的時(shí)代特征，在類型、題材、形式和工藝方面有獨(dú)特性，是不可移動(dòng)的藝術(shù)品?？茖W(xué)價(jià)值方面，可以通過古建筑的選址布局、生態(tài)保護(hù)、災(zāi)害防御、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面學(xué)習(xí)古代的建筑技藝。

2005年，國(guó)務(wù)院文件中引入了文化遺產(chǎn)的保護(hù)概念，它包括不可移動(dòng)的文物保護(hù)單位、歷史文化名城（街區(qū)、鎮(zhèn)、村），也包括民俗、民間工藝等非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。對(duì)于文物古跡，在《文物保護(hù)法》中有明確規(guī)定，是指具有重要?dú)v史、科學(xué)、藝術(shù)價(jià)值的古跡，包括文化遺址、墓葬、建筑、石刻、壁畫等不同形式。2008年，《歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護(hù)條例》提出了歷史建筑的概念，這一概念很廣泛，包括文物保護(hù)單位，也包括未公布為文物保護(hù)單位也未登記不可移動(dòng)文物的建筑物、構(gòu)筑物。很顯然，對(duì)古建筑保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)越來越完善，保護(hù)力度越來越強(qiáng)。對(duì)于古建筑進(jìn)行保護(hù)的一般流程包括調(diào)查、研究評(píng)估、確定級(jí)別、建立檔案、制定保護(hù)規(guī)劃、日常維護(hù)管理、實(shí)施保護(hù)工程、控制周邊環(huán)境等，在《文物保護(hù)法》中這些工作基本都有明確規(guī)定，屬于法定要求。在古建筑保護(hù)中建立檔案是非常關(guān)鍵的一環(huán)。有了古建筑檔案，不管未來該古建筑是否還在，都能找到存在的痕跡。當(dāng)然從感情和價(jià)值認(rèn)同上來講，檔案是冰冷的，它只是直白地記錄著古建筑曾經(jīng)的真實(shí)。

保護(hù)古建筑具有重大現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)然古建筑由于具有不可再生性，一旦失去了就再也找不回來，只能通過一些零碎的檔案資料去了解曾經(jīng)存在過的文化的象征。2019年巴黎圣母院被付之一炬，幾乎燒掉了半個(gè)巴黎的歷史。2021年有著400年歷史的中國(guó)最后的原始村落，翁丁村被燒毀，還不知道能不能重建起來，可能真的就丟失了中國(guó)這最后的原始村落，就像是2014年香格里拉獨(dú)克宗古城大火之后，獨(dú)克宗古城雖然被重建了，但似乎已經(jīng)不是原來的味道。最核心的原因就在于本來保持著固定脈絡(luò)的文化傳承被大火隔斷了。

2 古建筑測(cè)繪

盡管在感情上對(duì)于古建筑只有檔案可看存在一定的憂慮，但不可否認(rèn)的是，建立古建筑檔案十分有利于保護(hù)和開發(fā)。在古建筑檔案建立中，測(cè)繪是核心內(nèi)容，測(cè)繪是建立檔案的基本前提，通過對(duì)古建筑的觀測(cè)、測(cè)量明確其具體數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，這是古建筑保護(hù)工作最基本的環(huán)節(jié)也是開展其他保護(hù)性工作的前提條件。如果沒有測(cè)繪提供數(shù)據(jù)支撐，那么研究評(píng)估、規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)工程的實(shí)施都可能會(huì)出錯(cuò)。也就是說古建筑測(cè)繪是古建筑保護(hù)的重中之重。實(shí)際上，由于目前建筑遺產(chǎn)保護(hù)工作人員缺乏對(duì)全部古建筑遺產(chǎn)實(shí)物基礎(chǔ)性信息的認(rèn)知和掌握，如測(cè)繪數(shù)據(jù)和土質(zhì)、建立記錄檔案等，很多機(jī)構(gòu)在古建筑保護(hù)中存在一些不理想的情況。

測(cè)繪獲取的是古建筑的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料是建筑歷史研究、建筑藝術(shù)研究以及建筑史教學(xué)的重要基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)建筑教育中古建筑測(cè)繪一直是非常重要的教育內(nèi)容，阿爾伯蒂（文藝復(fù)興大師）就在推動(dòng)測(cè)繪經(jīng)典建筑就是向古代大師學(xué)習(xí)的理念。巴黎美術(shù)學(xué)院專門設(shè)計(jì)了“羅馬大獎(jiǎng)”用以資助那些表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生到羅馬考察、測(cè)繪古跡遺址。我國(guó)建筑教育也有古建筑測(cè)繪的傳統(tǒng)，并且將測(cè)繪結(jié)果用于建筑遺產(chǎn)研究評(píng)估、管理維護(hù)、保護(hù)規(guī)劃、保護(hù)工程實(shí)施等方面。當(dāng)然古建筑測(cè)繪雖然屬于工程測(cè)量中的一個(gè)分支，但是僅僅只有測(cè)量技術(shù)是不夠的，需要在建筑學(xué)的核心素養(yǎng)方面有很高的建樹，因?yàn)楣沤ㄖy(cè)繪不僅是對(duì)古建筑的描摹，還要對(duì)其在科學(xué)、人文、技術(shù)、藝術(shù)等方面進(jìn)行體驗(yàn)、認(rèn)知、理解和探究，并甄別、發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)建筑實(shí)體、空間以及歷史文化內(nèi)蘊(yùn)，存在價(jià)值判斷和信息取舍問題。

3 無人機(jī)的運(yùn)用探討

3.1 無人機(jī)為古建筑測(cè)繪提供便利

在以往的古建筑保護(hù)中，對(duì)古建筑的調(diào)查研究往往因?yàn)榻ㄖ苓叚h(huán)境復(fù)雜，人工測(cè)繪很難展現(xiàn)其全貌，一些細(xì)部結(jié)構(gòu)需要搭架子去拍攝、測(cè)量。一方面，這樣對(duì)古建筑不友好，可能因?yàn)闇y(cè)量人員的行為而導(dǎo)致古建筑被破壞;另一方面，這樣對(duì)測(cè)量人員有威脅，古建筑由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，且基本都是木結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)大多已經(jīng)出現(xiàn)毛病，也就是俗稱的“危房”，對(duì)測(cè)繪人員不友好。因此，古建筑測(cè)繪需要更為先進(jìn)的技術(shù)手段來解決測(cè)繪中的問題。無人機(jī)就是針對(duì)人工無法完全測(cè)得古建筑全貌數(shù)據(jù)信息而出現(xiàn)的，它可基本不受限制地?cái)y帶相機(jī)、三維激光掃描等測(cè)繪裝置完成古建筑測(cè)繪工作，精度可能不是特別高，但滿足要求，而且自動(dòng)化程度高，可以采集到人工無法采集到的素材。事實(shí)上，無人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用已經(jīng)屢見不鮮，這得益于對(duì)于古建筑保護(hù)的力度不斷加強(qiáng)，在古建筑保護(hù)對(duì)測(cè)繪的重視度越來越度，從而推動(dòng)了無人機(jī)在古建筑測(cè)繪中的運(yùn)用。

3.2 無人機(jī)在古建筑測(cè)繪中應(yīng)用的一般方法

下面以古磚塔為例，簡(jiǎn)單敘述無人機(jī)在古建筑測(cè)繪中的方法。古磚塔在古建筑門類中是一個(gè)比較特別的門類，因其本身特殊的形制結(jié)構(gòu)，一直存在古建筑測(cè)繪上的難點(diǎn)。以往在做測(cè)繪時(shí)需要搭建滿堂支架用以支持測(cè)繪，極大地消耗了人力、物力和財(cái)力，而且對(duì)古磚塔本身不夠友好。而通過無人機(jī)來進(jìn)行測(cè)繪則不會(huì)有這些問題。具體操作方法參考如下：

第一步，需要在測(cè)繪對(duì)象四個(gè)角布置4個(gè)控制點(diǎn)，需要放標(biāo)靶，標(biāo)靶顏色需明顯，確保在采集信息過程中能夠清晰看到標(biāo)靶中心。測(cè)量標(biāo)靶坐標(biāo)，最好使用免棱鏡電子全站儀進(jìn)行測(cè)量，保證精度。RTK測(cè)量技術(shù)可能因?yàn)樾》秶鷾y(cè)量而出現(xiàn)較大誤差，精度不佳，不建議使用。如果RTK技術(shù)進(jìn)一步提升，精度提升則應(yīng)當(dāng)使用。

第二步，調(diào)查航測(cè)區(qū)域的天氣環(huán)境，周邊是否存在影響無人機(jī)安全飛行的障礙物，有無影響信息傳輸?shù)确矫娴母蓴_源。這些需要根據(jù)使用的具體設(shè)備來確定。如果是拍攝影像的相機(jī)，最好選擇在光線較好的陰天，避免陽光直射造成鏡頭曝光過度而畫面失真，這會(huì)顯著提升圖像處理的工作量和難度。選定作業(yè)點(diǎn)，為無人機(jī)航測(cè)規(guī)劃提供參考依據(jù)，然后制定航測(cè)方案，確定無人機(jī)起降點(diǎn)，基于無人機(jī)參數(shù)設(shè)定航線。需要注意的是，要在設(shè)定好航線后先行試飛，校準(zhǔn)相關(guān)參數(shù)后正式開始航測(cè)。航測(cè)過程中注意無人機(jī)電量、飛行姿態(tài)，確?？梢园踩岛?。對(duì)于拍攝區(qū)域高低不一的問題，可采用階梯式航線，拍攝時(shí)每個(gè)區(qū)域高差變化盡可能小，單一航線影像重疊度至少75%，兩條航線重疊度至少65%。例如河南省宜陽縣三鄉(xiāng)村的五花寺古塔，該古磚塔為青磚結(jié)構(gòu)，八角密檐式，無人機(jī)與古塔塔身立面垂直距離5米，沿著每個(gè)角自下而上垂直飛行，當(dāng)然這是一種行業(yè)規(guī)劃方法，主要用于影像拍攝，要求鏡頭與立面呈5度角。

第三步，拍攝完成后立即檢查影像，查看是否存在疏漏未拍攝到的地方。然后將影像上傳至計(jì)算機(jī)，通過相關(guān)軟件對(duì)影像進(jìn)行處理，如Photoshop、AgisoftPhotoscan等。以Photoshop軟件為例，處理流程為影像篩選、色彩還原、空中三角測(cè)量計(jì)算、相控點(diǎn)添加、空中三角測(cè)量計(jì)算、紋理模型生成。影像導(dǎo)入軟件，利用軟件批量處理功能，統(tǒng)一影像飽和度、亮度等參數(shù)，剔除掉殘次影像。隨后將建筑外圍影像以及室內(nèi)影像導(dǎo)入專業(yè)的軟件，如Context Capture Center，由軟件計(jì)算將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三維空間形式，該軟件可以運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云圖，并以此構(gòu)建高分辨率的實(shí)景三維模型。

第四步，生成的實(shí)景三維模型，可在快速瀏覽系統(tǒng)甚至VR虛擬空間中進(jìn)行展示，尤其是VR展示，它可以彌補(bǔ)游客不能親身進(jìn)入古建筑內(nèi)部進(jìn)行體驗(yàn)的遺憾。

3.3 無人機(jī)在古建筑調(diào)查監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

古建筑測(cè)繪中還涉及建筑遺產(chǎn)調(diào)查，比如古村落調(diào)查。以前對(duì)古村落的調(diào)查一般都是細(xì)部調(diào)查，即對(duì)單一建筑進(jìn)行圖像繪制和模型制作，而無法準(zhǔn)確把控整個(gè)村落的布局以及周邊環(huán)境，在建立檔案時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)建筑有詳細(xì)的記錄卻不清楚該建筑位于村落的哪個(gè)位置。為此使用無人機(jī)航測(cè)快速獲取整個(gè)古村落的三維重建模型和正射影像圖，使古建筑保護(hù)人員能夠?qū)φ麄€(gè)古村落的布局以及保存狀況有清晰的了解，這對(duì)于研究村落的山水環(huán)境、選址布局等方面有重要價(jià)值。航測(cè)方法同上，只是使用的裝置可能有所不同，需要用到攝像機(jī)、遙感以及三維激光掃描裝置。

進(jìn)一步來講，通過無人機(jī)可以對(duì)古建筑進(jìn)行跟蹤調(diào)查。古建筑檔案不是建立起來就結(jié)束了，還需要進(jìn)行跟蹤調(diào)查，不斷更新檔案資料，以呈現(xiàn)古建筑的歷史變遷。在這一過程中，利用無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段，形成實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)體系。例如江西省的八角樓，通過設(shè)計(jì)無人機(jī)控制程序，由程序自動(dòng)規(guī)劃無人機(jī)三維航線，獲取單體建筑三維信息，并最終將測(cè)得的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)構(gòu)建可測(cè)量的三維模型。

3.4 無人機(jī)在古建筑消防安全管理中的應(yīng)用

值得關(guān)注的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)不僅可以用來進(jìn)行古建筑測(cè)繪，還可用來輔助古建筑消防安全管理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來全國(guó)共接報(bào)古建筑火災(zāi)392起，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)2808.9萬元?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)消防無人機(jī)，其主體架構(gòu)為四軸飛行器，還有集成控制器、通信模塊、可見光攝像頭、紅外熱像儀、擴(kuò)音器、拋投設(shè)備等?，F(xiàn)存很多古建筑都在環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，尤其是古老的村落更是多在偏僻地區(qū)，消防設(shè)施不全，一旦起火后果不堪設(shè)想，比如中國(guó)最后一個(gè)原始村落—云南省臨滄市翁丁古寨，火災(zāi)起來后，當(dāng)?shù)厝烁竞翢o滅火辦法，只能看著古建筑被燒毀。消防無人機(jī)建設(shè)周期非常短，可以快速形成消防戰(zhàn)斗力，前期投資也不高，但是收益很大。目前消防無人機(jī)可輔助滅火救援，可空投物資、攜帶關(guān)鍵器材入場(chǎng)，可遠(yuǎn)程喊話，可攜帶滅火器材替代消防救援人員直接參與滅火，可支撐通信，可跟蹤監(jiān)測(cè)，可進(jìn)行偵察，這些對(duì)古建筑消防安全管理具有顯著的支撐作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，按照當(dāng)前法律法規(guī)要求，古建筑保護(hù)意義重大、責(zé)任重大。在古建筑保護(hù)工作中，建立檔案是重要核心工作，其中調(diào)查研究評(píng)估需要用到測(cè)繪技術(shù)的支撐，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)手段可能對(duì)古建筑造成二次人為破壞，同時(shí)也并不能完整地獲取古建筑的參數(shù)。無人機(jī)測(cè)繪的出現(xiàn)解決了很多難題，其智能化程度高，精致小巧而基本不受環(huán)境限制，可攜帶多種測(cè)繪裝置，獲取人工測(cè)繪無法獲取的建筑信息，避免人工干預(yù)對(duì)古建筑造成的二次破壞，在數(shù)字化技術(shù)的支持下，能夠建立實(shí)景三維模型，有助于VR旅游的發(fā)展，當(dāng)然也對(duì)古建筑保護(hù)有重要支撐作用。

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