歷史保護建筑非接觸式外立面勘察及模型快速重構(gòu)

歸豪域

上海市建筑裝飾工程集團有限公司 上海 200072

1 背景概況

歷史保護建筑是城鄉(xiāng)文脈及其歷史連續(xù)性的見證，具有不可再生的歷史、文化、科學和藝術(shù)價值。在我國城市化進程不斷推進的背景下，對歷史保護建筑的修復修繕符合新時代城市化的發(fā)展需求，以用促保，可以在賦予歷史保護建筑當代功能、發(fā)揮歷史保護建筑使用價值的同時，使歷史保護建筑與城市發(fā)展和城區(qū)生活有機融合。

由于歷史保護建筑分布分散、監(jiān)管困難、災(zāi)后復建困難、原始信息不可追溯等原因，傳統(tǒng)工程修繕方法受到嚴峻挑戰(zhàn)，必須進行更深入透徹的研究以尋找解決對策。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，目前國內(nèi)數(shù)字化技術(shù)在歷史保護建筑修繕項目中的應(yīng)用包括項目實施前期策劃、勘察檢測、修繕設(shè)計、修繕施工等多個階段，隨著數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展，政府和企業(yè)也已認識到信息模型和信息數(shù)據(jù)庫是未來歷史保護建筑實現(xiàn)智能工程管理與智慧運維管理的基礎(chǔ)[1-4]。本文重點針對基于數(shù)字化的歷史保護建筑非接觸式外立面勘察及模型快速重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)開展研究。

2 外立面勘察作業(yè)重難點分析

2.1 傳統(tǒng)勘察手段受限多、工期長

在工程前期現(xiàn)場勘察及測量作業(yè)中，如采用傳統(tǒng)人工測量及拍攝記錄方式，則需先行搭設(shè)勘察腳手架，作業(yè)工期長，人力、材料、工期成本巨大且效率低，勘察期間影響建筑本身的正常運營，對業(yè)主單位也將造成經(jīng)濟損失。

2.2 歷史保護建筑安全性要求高

歷史保護建筑大多位于市中心核心區(qū)域，人流量較大，對整個項目的施工措施安全性要求更為嚴格，其腳手架為危險性較大的分部分項工程，腳手架搭設(shè)方案的制定需要對建筑物進行全面精準的實測實量，傳統(tǒng)測量技術(shù)無法快速實現(xiàn)。

2.3 建筑外立面情況復雜，傳統(tǒng)方式測繪不全面

歷史保護建筑外立面情況復雜，涉及飾面眾多，構(gòu)件眾多，涉及損害形式眾多（臟污、龜裂、空鼓、色差、銹蝕），損壞程度也各不相同。傳統(tǒng)影像記錄無法實現(xiàn)多角度、遠近搭配的復雜拍攝要求。

3 基于無人機數(shù)字化測量技術(shù)的非接觸式外立面勘察

由于許多歷史保護建筑始建年代久遠，修繕工程中存在原設(shè)計圖紙丟失、損壞等情況，需在改造前期進行重新勘察測繪，以確保修繕工作的順利進行。傳統(tǒng)測量方式需在建筑外部搭設(shè)腳手架之后進行人工測量，存在施工周期長，勘測效率低下，人員投入量大，操作技術(shù)要求高、數(shù)據(jù)成果單一等諸多不足之處，只可記錄單點數(shù)據(jù)，容易出錯和漏測，因數(shù)據(jù)采集不全面而導致返工情況時有發(fā)生。

3.1 數(shù)字化測量技術(shù)的優(yōu)勢

1）實現(xiàn)無腳手架查勘和非接觸式測量。對于處于運營狀態(tài)的歷史保護建筑修繕工程，施工方往往無法通過應(yīng)用傳統(tǒng)測量方法進場展開工作，而無人機作為一種新興技術(shù)不僅可以非接觸式進行整體建筑群的查勘，不必和量測對象接觸，還可以將現(xiàn)場查勘部分工作提前，不占用施工周期，實現(xiàn)不搭設(shè)腳手架進行查勘工作。

2）人工成本低。無人機技術(shù)的查勘作業(yè)僅需1～2人，經(jīng)數(shù)小時數(shù)據(jù)采集即可完成，相較傳統(tǒng)搭建腳手架方案，能夠大幅減少人工成本和測量難度。

3）測量精度高。不同于傳統(tǒng)測繪技術(shù)需要大規(guī)模的人工實地測量，無人機攝影測量在曝光瞬間就能快速、精確地記錄大量信息。應(yīng)用無人機傾斜攝影模型，1∶1還原現(xiàn)場實際情況，生成包含真實尺寸信息的三維實景模型，便于項目技術(shù)人員進行測量，精準度高，誤差小，并且可以替代人工進行高空勘察作業(yè)。

4）測量信息豐富。無人機攝影不但包含坐標和尺寸信息，也可提供材質(zhì)、顏色、裂縫和破壞情況等方面信息。

3.2 設(shè)備選型

在建筑裝飾外墻施工前的勘察階段，一般選用多旋翼無人機進行航拍及測繪工作。多旋翼無人機具有操控性強、可垂直起降和懸停等特點，由傳感器、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)組成，適用于低空、低速、有垂直起降和懸停要求的任務(wù)。

在建筑外墻勘測的設(shè)備選型中，應(yīng)根據(jù)不同的作業(yè)需求，選擇合適的無人機型號。拍攝小型建筑的相片及視頻影像作為資料留檔時，可選擇大疆“御”系列無人機，其具有體積小巧不占空間，機身可折疊便于攜帶等優(yōu)勢，深受外勤工作者喜愛。如需對大型建筑進行航拍影像采集，工作量較大時，可選擇大疆“精靈”系列無人機，其續(xù)航能力強，抗風性能好，可定焦、對焦。對于精度要求較高或需進行傾斜攝影作業(yè)時，則建議選用大疆“悟”系列或“經(jīng)緯”系列無人機，其可搭載單反級別高精度鏡頭，支持雙控，可提供無損DNG格式圖片視頻，畫質(zhì)極佳，適合高精度的成果輸出。

在無人機航攝作業(yè)時，可選擇手動單點拍攝方式進行細節(jié)照片專項拍攝、局部外立面詳勘，手動環(huán)繞拍攝方式進行傾斜攝影，手動飛行拍攝方式進行影像資料記錄，定點自動全景方式進行720°全景攝影，自動環(huán)繞拍攝方式進行外立面詳勘，自動軌跡拍攝方式進行全數(shù)外立面詳勘。

3.3 基于無人機航拍影像的非接觸式外立面查勘

以上海某歷史保護項目外立面保護修繕工程為例，經(jīng)無人機勘察，發(fā)現(xiàn)其鋼塔區(qū)域紫銅基層銹蝕，塔身表面污染；金飾面層變黑。外立面水刷石經(jīng)無人機勘察，發(fā)現(xiàn)其外墻、檐口、窗臺等部位的米黃色水刷石主要存在臟污、龜裂、裂縫、色差等問題。外立面鋼窗經(jīng)無人機勘察發(fā)現(xiàn)鋼制門窗多處出現(xiàn)脫漆、銹蝕的情況，局部存在窗洞被封堵，玻璃缺失、五金件缺失。

3.4 基于720°全景交互影像的專項方案策劃及工程量統(tǒng)計

在歷史保護建筑六面體查勘中采用720°全景技術(shù)，對搭載高清攝像頭的無人機設(shè)定固定航線和固定飛行距離，將拍攝到的影像實時傳輸?shù)接嬎銠C中進行影像優(yōu)化及拼接處理，通過全景播放器的矯正處理，使以某種幾何關(guān)系進行映射生成的平面圖片成為三維立體可旋轉(zhuǎn)的全方位實景圖像，可以在最大限度保留場景真實性的前提下，給人以水平方向（經(jīng)度）360°和垂直方向（緯度）360°環(huán)視的效果，避免傳統(tǒng)航空攝影測量中面與面交界處可能出現(xiàn)的遺漏測量、重復測量等問題，更好地展示項目信息以及周邊環(huán)境信息。

針對歷史保護建筑外立面修繕工程特點，提前策劃應(yīng)用720°全景攝影的無人機飛行路線、拍攝距離、拍攝方式和拍攝數(shù)量，根據(jù)現(xiàn)場實際工況，于航攝作業(yè)開始前，對飛行路徑進行最優(yōu)規(guī)劃，定點進行全景拍攝，如圖1所示。以5～10 m的拍攝距離，采用自動全景＋手動近距離拍攝相結(jié)合的方式，每處拍攝1～4張，并保證相鄰照片有不少于1/3的重疊度，使得測量圖像滿足測量目標要求。將制作完成的全景圖片上傳到云端，方便管理人員隨時隨地查看工程現(xiàn)狀。同時根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)置特寫點，并在得到的720°全景模型相應(yīng)位置增加按鈕輸入信息，實現(xiàn)全景模型的及時更新完善。

圖1 應(yīng)用于720°全景拍攝的無人機飛行路線優(yōu)化設(shè)定

通過720°全景技術(shù)在上海某歷史保護建筑修繕工程外立面勘測階段的應(yīng)用，共拍攝遠景及近景特寫照片數(shù)量達到1 000余張，以此為基礎(chǔ)，形成建筑外立面720°全景圖1套，如圖2所示，可分別使用普通模式和VR模式觀看，如圖3所示。其外立面圖像信息具有完整性和連貫性。于網(wǎng)頁端對720°全景影像進行輕量化展示，根據(jù)需要設(shè)置按鈕，可以實現(xiàn)不同角度的場景切換、重點部位的細節(jié)放大、文字信息的輸入顯示等功能，從而實現(xiàn)720°全景可視化及交互需求。模型基于網(wǎng)絡(luò)平臺進行文件交互，對終端適應(yīng)性強；輕量化的可采用瓦片式加載模式的外立面模型也可減少數(shù)據(jù)存儲壓力。

圖2 720°全景影像

圖3 VR模式全景圖

基于720°全景拍攝影像成果，結(jié)合遠近景特寫照片，可確定修繕位置、修繕內(nèi)容，進而用于制定外立面修繕方案。結(jié)合修繕設(shè)計文本為項目量身定制各類修繕專項方案。以720°全景圖所提供的定位信息和近景照片提供的清晰的材質(zhì)紋理及色彩信息為依據(jù)，為后續(xù)小樣確認及現(xiàn)場施工樣板選址提供依據(jù)。

3.5 大體量歷史保護建筑外立面模型快速重構(gòu)技術(shù)

采用小型多旋翼無人機航拍設(shè)備對建筑外立面進行環(huán)繞手動拍攝，對航拍影像進行多視影像預處理后，在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差基礎(chǔ)上進行多視影像密集匹配，從而生成高密度三維點云，基于點云構(gòu)建三角格網(wǎng)，進行紋理映射，最終生成包含真實幾何尺寸及坐標信息的三維傾斜攝影模型，實現(xiàn)復雜建筑立面大范圍、高精度、高清晰的全面感知。傾斜模型可應(yīng)用于建筑外輪廓查看、測距、相對標高測定。輕量化的模型方便在查勘現(xiàn)場或施工現(xiàn)場通過輕量移動設(shè)備隨時查看，實現(xiàn)歷史保護建筑外立面查勘過程的可模擬、可閱讀、可編輯、可測量、可計算和可交互。在傾斜攝影模型的基礎(chǔ)上建立腳手架三維模型，可作為后續(xù)腳手架搭設(shè)的依據(jù)。

外立面模型快速重構(gòu)和輕量化模型交互技術(shù)成果可為外立面劣化情況提取分析、修繕專項技術(shù)方案的編制及落地提供依據(jù)。

4 歷史保護建筑修繕施工全過程信息化數(shù)據(jù)庫

4.1 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫

通過無人機航拍照片完成現(xiàn)場勘察，將劣化情況整理為劣化情況米字格劃分圖，建立了可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

圖4 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫

通過施工過程中應(yīng)用外立面劣化情況數(shù)據(jù)庫，可以指導技術(shù)交底、施工交底，讓施工員及工人對修繕工作有具象化的認識。同時其可提供工作量信息，對現(xiàn)場勞動力的安排及編排施工計劃具有重大參考意義。

在運維過程中應(yīng)用外立面劣化情況數(shù)據(jù)庫，依靠其圖像信息可直觀對比施工前后的修繕效果，可向業(yè)主及監(jiān)理展示工作成果。對內(nèi)可供計算勞務(wù)分包工作量，對外可作為項目結(jié)算依據(jù)。

4.2 可具象化的歷史保護建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫

結(jié)合項目原始藍圖及無人機航拍傾斜攝影模型，建立歷史保護建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫。技術(shù)人員對建筑情況和尺寸數(shù)據(jù)就能有更為具象化的了解，也有利于后續(xù)腳手架設(shè)計及搭建方案編制。而對于由大量異形構(gòu)件組成的構(gòu)筑物，可基于建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫對其進行模型分析、構(gòu)件拆分、編號整理、分類匯總。

在運維過程中應(yīng)用建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫，基于記錄的構(gòu)件信息，有構(gòu)件發(fā)生意外損壞需更換時，場館運維人員調(diào)出相應(yīng)構(gòu)件信息即可完成構(gòu)件的重新下單加工，大幅減少重復開展現(xiàn)場勘察、測量等作業(yè)的人力物力。

5 結(jié)語

通過研究數(shù)字化技術(shù)在大型歷史保護建筑場館外立面不停業(yè)保護性修繕中的應(yīng)用，整體形成歷史保護建筑外立面保護修繕關(guān)鍵技術(shù)解決方案，為今后大量同類工程的順利實施和提質(zhì)增效提供一定的借鑒和示范作用，對進一步完善上海市乃至全國歷史保護建筑修繕技術(shù)，促進歷史保護建筑活化利用具有重大意義。通過對歷史保護建筑修繕施工全過程建立修繕信息數(shù)據(jù)庫，也可為未來歷史保護建筑實現(xiàn)智能工程管理與智慧運維管理提供數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。