楚雄倾斜摄影测量在古建筑保护

1、古建保护背景

       习总书记于8月20日上午来到嘉峪关关城，察看关隘、建筑布局和山川形势，听取长城文物遗产保护和历史文化传承弘扬情况介绍，并强调了历史文化保护传承的重要性。古建筑是历史文化的载体之一，随着社会越来越快的发展，人们的生活质量达到前所未有的高度，随之而来的是对精神文明的探求，相应的对于古建筑保护的重视度也越来越高。古建筑反映了历史的辉煌，也表现了古代中国的文化艺术和科学技术的伟大成就。古建筑是文化模式的实体形象之一，人们可以通过这种实体形象直接的感知和认同这种文化，所以说保护古建筑就是保护历史文化的载体。

       除了保护文化的作用外，古建筑也是发展旅游业的重要物质基础，在当今物质生活水平不断的提高的今天，古建筑又担当起文化休闲娱乐场所这样一个新的历史使命，它不仅仅能丰富游客的物质和精神生活，还能为当地带来可观的经济收入，带动GDP的提升。

2、国内外保护现状

2.1国内保护现状及常规方案

       我国现存古建筑有8万多处，其中木质古建筑占三分之一以上。在地域分布上，南方多于北方。北方的木质古建筑主要集中在山西、北京等省份。南方的木质古建筑主要集中在云南、贵州、湖南等省份。从大量案例来看，我国古建筑主要面临火灾风险、水浸风险、腐蚀虫蛀风险及人为破坏风险等。

       传统古建保护一般采用的方法是派遣人员到实地进行田野考察，通过实地走访调研、摸排，填写档案卡，建立调研资料，同步配合进行多媒体信息的采集，保留照片、视频等内容。采集完成后，需要进行内业的整理、入库工作，最后才能进行分析研究工作。由于流程复杂，环节较多，导致存在着一系列的问题：

1、需要大量外业采集作业，填表多，容易错，工作量大，周期长；

2、记录内容需要大量整理才能有效使用；

3、田野考察及传统采集方法无法完整记录实地原貌；

4、无法获取到顶部等高度超过视野范围的信息；

5、采集信息没有和地理信息关联，无法做更多的空间分析；

6、采集成果难以数字化，即使数字化，也难以实现快速对数据资源的深度挖掘应用。

图1 传统田野考察

       近年国内也有开始使用无人机搭载倾斜相机或激光雷达，实现对古建建模数字化。但数字化成果缺少进一步的研究和应用，究其原因是建模过程专业程度较高、较复杂，成果数据需要使用专业软件才能打开，且缺少地理信息联动，导致很多人文学者望数据兴叹。

2.2 国外保护现状及常规方案

       在国外一些，对于古建筑的保护已不再局限于调查访问与拍照记录来作为数据采集的手段。他们会使用VR全景或者激光雷达、倾斜建模等技术来对古建进行建模，并将模型与地理信息结合，形成公众可访问的实景数据，这样不但能对古建筑的现貌进行记录，还大大减少了人力成本和时间成本。

       谷歌地球不但整理了世界各地的影像数据，还采集了大量的倾斜模型及VR全景。以之前因大火而受损的巴黎圣母院为例，其因为受损严重加上建造技艺的丢失，即使进行重建，后人也很无法再见到它曾经的样貌。这时，这些数字化的实景三维模型就发挥了它的价值，在供后人进行浏览的同时也可以为建筑的重建提供细节的参考，这种模型带来的立体感与真实感是单单靠人工建模和照片无法反映出来的。

图2 谷歌地球中的巴黎圣母院倾斜模型

3 悬空寺简介

       悬空寺为中国现存最古老寺院之一，始建于北魏年间，距今已有1500多年历史。其建筑以纯木质为主，历经一千多年，多次损毁重建，现存建筑为明清时期所建。因其建于悬崖之上，寺院大部突兀于岩石之外，在北魏时期，按照北魏的孝文帝元宏，“上延宵客，下绝嚣浮”的要求而建成。整体感觉如凌空飞渡，险象环生，悬空寺原名“崇虚寺”，人们根据其形体特点后改称其为“悬空寺”。悬空寺具有独特的历史文化色彩，自北魏孝文帝时期开始就成为道、佛、法三家流派所选定的传教之地，成为古往今来三教合一的典范。

       悬空寺建造在离地面高度50米距离山崖处。其建筑风格仍采用中国传统建筑格式。整个大殿庙宇采用传统佛堂的朱红色彩，大殿以及偏殿都采用木质结构，以飞檐斗拱的中国传统殿堂造型来表现。建筑悬空寺不同于在平地上建造，没有了平地的设计，更没有地基的存在。悬空寺建造设计者，将山寺依附山岩而建，使之成为石中有寺，寺中有石，将悬空寺巧妙地镶嵌进山岩，形成底下悬空，侧身依附的状态。悬空寺的设计理念的另一大特色是“巧”，整个佛寺建筑巧妙地利用了自然环境中的山势地形，在山岩间将整个寺院的重量导入山岩，因悬空寺上空山岩向外探身，形成天然的屋檐为悬空寺遮风挡雨。悬空寺在狭窄的山岩间，建有山门、钟鼓楼、大佛殿、偏殿、僧人勤杂殿，一个完整的寺院结构在此都得到体现。虽然规模不大，但一切设施与正常寺院毫无二致。

图3 悬空寺外景

4 无人机快速数字化

       19年3月，DJI大疆行业应用与武汉大学张祖勋院士团队合作，为山西大同悬空寺建立高精度实景三维模型，为文物古迹数字化提供技术支持，进而推动文物的研究、分析及保护。

       因传统的固定翼航测方式，在险峻的峭壁环境无法为固定翼飞机提供足够的起降空间，所以这里采用了多旋翼无人机（大疆精灵4-RTK版）来进行数据采集。多旋翼特殊的飞行能力赋予了无人机在各种地理环境中轻松采集高空影像数据的能力，成为立面测量影像采集的得力助手。

       由于悬空寺地势复杂，直接采集可能会发生炸机风险。因此现场数据采集使用了手工远距离飞行拍照，并用大疆智图快速建立粗模（低精度模型），进而基于粗模，在大疆智图上完成采集航线规划，来实现近距离精细化的数据采集。最终采集到的相片数据，通过大疆智图完成了厘米级精度的实景模型构建，精准还原了建筑的错落变化，大到滑坡，小至建筑中的一根木头断裂，皆可清晰重现。

       如果现场不方便采集粗模再进行精模测量的情况，还可以使用LSV （LocaSpaceViewer）的地形下载，下载12m分辨率的DEM，下载后加载到LSV内，基于LSV内的空间三维环境设计飞行路径（图5），并将设计路径导出为KML格式，再把含有高程的KML路径导入大疆智图，作为飞行轨迹，也可辅助进行飞行。

图4 基于LSV设计飞行轨迹

       通过大疆智图配合大疆精灵4RTK版进行悬空寺数据采集，既省时又省力，仅用2名工作人员即在半天内完成采集工作，其效率超过传统采集方式近10倍，并且数据结果含有的地理信息，对于后续的分析与使用更具价值。

       本次数字化采集详细信息见下表1所示：

       采集成果建模后，加载到LSV中查看，同时使用LSV的照片生成轨迹工具，可以把所有原始照片也加载到地图上，同步查看模型与照片，方便建模以及通过发现的问题寻找原始对应照片（图5）：

图5 LSV内加载模型照片对照查看

5 数字化成果整理

       通过数字化过程，完成了悬空寺空间信息采集，但是其结果为OSGB格式的倾斜模型文件，一般研究学者无法直接打开查看，导致数字化成果流通性降低。同时由于研究团队分散在全国，因此本研究选择使用Wish3D Earth在线平台，将倾斜模型发布为在线场景，并将各种其他信息添加到场景内，通过网页链接，即可让各地研究者同时查看数据，开展研究。

        Wish3D平台使用较为简单，总体分为三步：上传数据、搭建场景、分享场景。

        首先，把大疆智图输出成果即OSGB格式的倾斜模型打zip包，打开wish3D控制台》素材管理》上传数据，拖拽悬空寺模型数据包到上传界面即可上传（图6）。

        Wish3D Earth除了可以上传倾斜模型外，还可以上传正射影像、DEM、SHP矢量等各种格式的数据。

图6 Wish3D Earth上传数据

       等待上传完成后，平台会自动解压并转换模型格式，稍等片刻，模型处理成功后，进行第二步，场景搭建。场景管理》我的场景》创建场景，即进入场景编辑器界面。

先从素材库添加上传的倾斜模型到场景，见图7所示：

图7 场景编辑

       接着在图层管理，创建文件夹，把标记内容录入到场景内（图8）。

图8 图层管理

6 、数字化成果应用

       通过以上步骤，仅用了2人不到1天时间即完成了悬空寺数字化以及数字化成果数据整理发布过程。使得分布在全国各地的研究者可以直接通过线上平台，查看到悬空寺完整的全角度空间详细数据，比之人工到现场，信息量增加大的同时还节省了大量时间。基于数字化场景信息，团队进行了古建保护等方面的研究。

6.1 古建保护

        通过在线分享的场景信息，团队在悬空寺山门南侧墙壁发现了两条裂隙，见图9所示：

图9 山门南墙裂隙

       使用在线平台的空间距离测量工具，可以快速量取出裂隙的长度（图10）：左侧裂隙长度为4.17m，最宽处0.02m；右侧裂隙分两段，上部长0.17m、下部长2.5m。

图10 裂隙测量

       通过对模型的各角度仔细检查，共发现明显裂隙7条，见下表2：

       初步检查完毕后，建议实地对速查发现的裂隙进行详细检查评估。另外也可以采用定期无人机建模，通过多时相模型对比检查裂隙的变化。

为确定悬空寺的游客承载能力，研究采用了面积统计法，使用模型，快速量取各建筑空间面积（图11），基于面积来推算悬空寺    瞬时游客承载能力。

图11 空间面积测量

7 结论

       通过使用大疆精灵4RTK版配合大疆智图地面站，可以快速完成复杂地形下古建的数字化采集工作，使用Wish3D Earth平台可以快速把数字化成果配合各种专题资料如全景、视频、文本、图片等转换为可在线查阅分享的专题数据集。方便的分享和在线浏览，可以使得分布在各地的研究者同时如身临其境般无死角查看建筑物内外信息。利用在线平台的各种快速分析工具，研究者可以量取分析出各种有价值的信息。

       通过古建数字化，即实现了对古建筑的全信息扫描存档，为后续古建保护提供了基础数据参考，也方便了各类研究者随时随地的开展研究，能够实现不破坏、不干扰古建的基础上，精细化的测量分析。

        欣联戴（江苏）信息科技有限公司成立于2015年，总部位于江苏省苏南城市—无锡。定位全国三维生态应用服务，专注于测绘及无人机行业应用，以无人机平台为基石，共享三维空间世界。公司拥有完善的无人机行业应用解决方案，特别在实景三维倾斜技术的研发应用，激光雷达点云数据的研发应用有着丰富的项目经验，广泛应用在测绘技术、地理信息、航测遥感、国土技术服务、规划设计、林业调查等行业技术服务。

项目合作：13771167575  刘总