南京城墻銘文磚數(shù)字化采集與保護(hù)方法研究

范皞（南京城墻研究會）

銘文磚數(shù)字化采集是保護(hù)我國文化遺產(chǎn)的重要方式，也是保護(hù)物質(zhì)文化遺產(chǎn)的主要途徑。南京作為明代兩座都城之一，南京明城墻長度超過25 km，是現(xiàn)今世界上規(guī)模最大的古代城墻。南京城墻距今已有六百余年歷史，是六朝古都“南京”的歷史名片。南京明城墻兩次入選《中國世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單》，南京市也成為“中國明清城墻”聯(lián)合申遺牽頭城市。為了進(jìn)一步提高南京明城墻保護(hù)和展示水準(zhǔn)，需要利用數(shù)字化手段對南京城墻銘文磚進(jìn)行全面的分析考察，并對城墻遺產(chǎn)信息進(jìn)行記錄。

一、城墻銘文磚數(shù)字化信息采集的現(xiàn)狀及存在的問題

（一）國內(nèi)外城墻銘文磚數(shù)字化采集現(xiàn)狀

南京城墻是我國保存最完好的明清城墻遺址，也展現(xiàn)出了明清時(shí)期我國都城的特點(diǎn)。通過對全國各地的明清城墻數(shù)字化信息采集的工作現(xiàn)狀進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)銘文磚數(shù)字化信息采集工作尚處于初期探索階段，國內(nèi)各企業(yè)、單位都沒有在南京明城墻銘文磚進(jìn)行數(shù)字化采集的經(jīng)驗(yàn)。

（二）城墻銘文磚數(shù)字化存在的困難

對《南京城墻志》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，南京明城墻總共使用了超過3.5億塊墻磚，高度可達(dá)14-21m。隨著時(shí)代的變遷，南京明城墻受到了自然風(fēng)化和人為破壞，很多銘文磚上的文字正在消失。為了對南京明城墻銘文磚進(jìn)行精細(xì)化管理，應(yīng)該對每塊銘文磚的位置進(jìn)行定位，并對銘文磚上的文字和產(chǎn)地等信息進(jìn)行記錄歸檔，從而為南京明城墻的修復(fù)、保護(hù)提供信息支持。在南京明城墻銘文磚數(shù)字化采集過程中，對南京城墻銘文磚的特點(diǎn)進(jìn)行分析，主要遇到以下困難：

南京城墻的城磚過多，統(tǒng)計(jì)所有銘文磚位置和信息的工程量巨大。

南京明城墻的銘文磚較為分散，且部分城墻高度高達(dá)20 m，對南京明城墻內(nèi)外銘文磚進(jìn)行三維坐標(biāo)標(biāo)定的難度較高。

銘文磚較為分散且城墻高度較高還導(dǎo)致獲得清晰銘文影像資料十分困難。

（三）城墻銘文磚數(shù)字化總體思路

在進(jìn)行南京城墻銘文磚數(shù)字化采集過程中，根據(jù)南京城墻的基本特征，可以無人機(jī)攝影測量技術(shù)作為核心技術(shù)，利用目前地理信息技術(shù)測繪領(lǐng)域中較為先進(jìn)的傾斜航空攝影測量、3D 建模等技術(shù)作為輔助，進(jìn)而獲得南京明城墻的多維數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用信息化技術(shù)構(gòu)建南京明城墻的2D 及3D 模型，從而做到對南京明城墻的銘文磚進(jìn)行定位、拍攝并對銘文磚上的文字進(jìn)行記錄，為接下來構(gòu)建南京明城墻銘文數(shù)據(jù)庫提供信息基礎(chǔ)。

二、南京城墻銘文磚信息數(shù)字化采集技術(shù)分析

為了對南京明城墻銘文磚信息數(shù)字化采集工作中的銘文磚調(diào)查、定位、攝像、銘文記錄等難點(diǎn)進(jìn)行解決，需要根據(jù)工作需求對工作方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在南京明城墻銘文磚信息數(shù)字化采集工作中可以運(yùn)用帶狀傾斜航空攝影測量+近景傾斜航空攝影測量方式來對城墻及城墻內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行航拍，以此獲得較為準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)，最后將帶狀傾斜航空攝影測量和近景傾斜航空攝影測量兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，構(gòu)建科學(xué)合理的南京明城墻3D 模型，以此來對銘文磚相關(guān)信息進(jìn)行提取收集，并為接下來的城墻修復(fù)提供模型，南京明城墻技術(shù)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 南京城墻銘文磚定位工作技術(shù)工藝流程圖（圖片來源：南京城墻研究會）

（一）無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

隨著攝影測量的逐漸發(fā)展，測量工作對照片的清晰度、色彩的需求也日漸提高，要增加照片的清晰度，就需要降低攝影測量的高度，提高攝影測量飛行器的穩(wěn)定性，因此產(chǎn)生了動力三角翼、多旋翼無人駕駛飛行器，以及各種傾斜攝影無人駕駛飛行器。

無人機(jī)傾斜攝影測量具備無人機(jī)測量技術(shù)和傾斜攝影測量的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對測繪目標(biāo)的空間信息進(jìn)行自動獲取，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

無人機(jī)的傾斜攝影測量技術(shù)具備無人機(jī)應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，無人機(jī)能夠在較為崎嶇的地面進(jìn)行垂直升降，無須使用輔助設(shè)備和跑道，對使用環(huán)境的要求較低，能夠在野外較為復(fù)雜的地形中垂直起飛。無人機(jī)的攝影檢測功能能夠調(diào)整飛行高度，從而實(shí)現(xiàn)大面積航拍和精確航拍，滿足測量工作的要求。傾斜相機(jī)是指利用在同一個(gè)航拍系統(tǒng)上的多個(gè)感應(yīng)器，從五個(gè)不同的視角（一個(gè)垂直視角、四個(gè)斜面視角）對圖像進(jìn)行拍攝，從而真實(shí)地展現(xiàn)出測量區(qū)域的影像。使用傾斜影像技術(shù)會導(dǎo)致影像的前景和近景清晰度存在一定差異，為了獲得建筑物等各個(gè)方面的高分辨率紋理圖像，需要讓航拍相機(jī)保持較高的航線和旁向重合度，一般在無人機(jī)傾斜攝影測量中需要讓航線和旁向重合度均超過百分之八十，從而提高圖像的紋理品質(zhì)。

（二）航空影像數(shù)據(jù)獲取

南京明城墻測量的工作規(guī)模較大，還要在測量工作中對銘文磚數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集。因此，在南京明城墻銘文磚信息采集工作中將使用無人機(jī)傾斜拍攝和近景攝影記錄相結(jié)合的方法，從而獲取城墻遺址中南京明城墻銘文磚的航空攝影資料。

本次的航空攝影資料通過多旋翼無人機(jī)收集，并按照技術(shù)規(guī)定，收集了與南京市明城墻臺城段的垂直方向、左下視30°、右下視30°、中下視30°、后下視30°等五個(gè)角度的飛行視頻資料。

為方便內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行銘文磚數(shù)據(jù)的檢索、定位工作，需要利用清晰文磚圖像構(gòu)建3D 模型。在實(shí)踐工作中，利用無人機(jī)、高分辨率相機(jī)等設(shè)備近距離拍攝南京明城墻外立面不同高度的近景圖像信息。

為了清晰識別南京明城墻外立面銘文磚和普通城磚，需要保證南京明城墻外立面圖像的分辨率超過0.5 cm。利用掃街式拍攝方法，收集南京明城墻外立面不同位置有重疊點(diǎn)的圖像信息并為3D模型構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（三）建立精細(xì)南京明城墻3D 模型

建立精細(xì)南京明城墻3D 模型工作主要在第三方應(yīng)用程序中完成，將包含位置信號的傾斜航空影像信息和近景圖像數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理程序，并通過混合空三加密技術(shù)，對圖像外的位置因素進(jìn)行調(diào)整，將兩個(gè)圖像進(jìn)行密集匹配，從而構(gòu)建出高質(zhì)量的南京明城墻3D 模型，展現(xiàn)出南京明城墻的紋理細(xì)節(jié)。

在本次數(shù)字化采集和保護(hù)實(shí)施過程中，主要利用Smart3D 軟件技術(shù)對南京明城墻3D 模型進(jìn)行制作。將混合空三加密成果輸入Smart3D 軟件系統(tǒng)中，從而形成立體像對，再利用多視圖像密集匹配技術(shù)得到城墻高密度3D 點(diǎn)云，根據(jù)設(shè)定的優(yōu)先等級對3D 點(diǎn)云進(jìn)行分割，從而形成各種層次細(xì)節(jié)度不規(guī)則的三角網(wǎng)模式，再對三角網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，從而得到帶白模的三維建模。然后再利用傾斜攝影和近景影像技術(shù)獲得對應(yīng)位置相應(yīng)的紋理信號，將紋理信號投射到相應(yīng)模式的三角面片上，再進(jìn)行紋理貼附，最后得到了紋路清晰真實(shí)的南京明城墻3D 模型。根據(jù)評價(jià)，南京明城墻3D 模型的平面精度中誤差為0.128 m，高程精度中誤差為0.221 m，滿足項(xiàng)目要求。

（四）銘文磚信息獲取

南京城墻銘文磚數(shù)據(jù)采集的功能，主要分為磚文清晰圖像采集、銘文磚三維定位坐標(biāo)測量和銘文磚尺寸數(shù)據(jù)測量。

（五）銘文磚照片采集

在南京城墻本體銘文城磚圖像收集過程中，應(yīng)該按照雉堞、矮墻、城垣走道、墻體兩側(cè)的順序進(jìn)行拍攝收集作業(yè)。對南京明城墻兩側(cè)拍攝難度較大的城磚，可以采用高清晰攝像機(jī)和航空飛行器對圖片進(jìn)行拍攝收集。本次南京城墻銘文磚圖像采集工作最大的難點(diǎn)是，南京明城墻中城磚數(shù)量眾多，找出城磚中的銘文磚較難。

在南京城墻銘文城磚圖像收集工作中最常規(guī)的工作方法是利用望遠(yuǎn)鏡等儀器在墻壁上逐個(gè)搜尋，并對位置進(jìn)行記錄，再按照位置記錄進(jìn)行逐一拍攝。南京城墻本體銘文城磚圖像人工收集速度較慢，且存在遺漏的可能。在南京城墻本體銘文城磚圖像收集過程中，一般采取“內(nèi)業(yè)檢查尋找—記錄編碼—外業(yè)攝影”的工藝過程，即使用精密3D 建模工具，制作建筑外立面模型，由內(nèi)業(yè)人員在建筑外立面模板上尋找?guī)в斜牡你懳拇u，并對銘文磚加以編碼、記錄，打印磚文標(biāo)識圖案，提交給外業(yè)人員，然后外業(yè)人員根據(jù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)對對應(yīng)的銘文磚進(jìn)行拍攝。

銘文磚空間位置坐標(biāo)和尺寸信息提取，主要是根據(jù)精細(xì)三維建模結(jié)果，并根據(jù)銘文磚編碼，收集與銘文磚編碼一一對應(yīng)的銘文磚位置信息。不僅如此，還可以從三維建模上直接量取字磚的尺寸信息。

三、南京城墻銘文磚信息數(shù)字化采集成果與分析

目前，已經(jīng)完成了對南京城墻銘文磚信息項(xiàng)目（一期）、（二期）的實(shí)施。收集了包括從神策門至中山門約9 km，共46388 塊銘文磚的數(shù)字化信息。

將后期預(yù)壓的文字磚空間定位坐標(biāo)信息和經(jīng)過實(shí)地測量的銘文磚的磚長度數(shù)據(jù)作為真值，以3D 模型讀取的銘文磚中心線位置信息及其在模型上量取的銘文磚長度信息作為測量值，通過統(tǒng)計(jì)真值和測量值之間的誤差，能夠得到銘文磚位置信息的精確度。銘文磚位置在三維模型平面中誤差為0.128 m，高程中誤差為0.221 m，字磚通長中誤差為0.024 m，字磚通寬中誤差為0.024 m，精度統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 銘文磚成果空間位置信息的精度統(tǒng)計(jì)表(表格來源：南京城墻研究會)

與常規(guī)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式相比，此次引入的數(shù)字化采集技術(shù)手段，將原來海量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)化為內(nèi)業(yè)任務(wù)，從而減少了外業(yè)工作。同時(shí)，全新的數(shù)字化采集方式也提高了銘文磚的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，極大程度地減少了磚文的誤采量，并提高了銘文磚數(shù)字化數(shù)據(jù)采集效率。圖2為城墻銘文磚數(shù)字化采集中實(shí)景三維建模技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法效率的對比分析。

圖2 城墻銘文磚數(shù)字化采集方法效率對比分析(圖片來源：南京城墻研究會)

四、結(jié)束語

綜上所述，通過利用無人機(jī)傾斜拍攝、3D 模擬等新技術(shù)，能夠制定出比較合理的南京城墻銘文磚數(shù)字化采集工藝流程，很大程度上提高了對城墻上銘文磚數(shù)字化收集的質(zhì)量和準(zhǔn)確度。南京明城墻銘文磚的信息收集任務(wù)是一項(xiàng)相當(dāng)重要、難度又相當(dāng)大的工作，在日后的研究工作中應(yīng)該繼續(xù)對數(shù)字化信息采集方式進(jìn)行研究，利用自動化智能AI 取代人力搜索工作，進(jìn)一步增加智能化、自動化的水平，減少人工工作量，提升銘文磚數(shù)字化質(zhì)量。