鄉(xiāng)村古建筑保護中無人機航測技術的應用

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【摘要】文章以涪陵區(qū)某莊園古建筑保護為例，采用小型無人機開展航測實驗，建立建筑實景三維模型，并驗證了模型的精度。實驗表明，無人機航測技術在鄉(xiāng)村古建筑保護中有一定的優(yōu)勢，為鄉(xiāng)村古建筑的現(xiàn)狀分析、后續(xù)開發(fā)利用提供了一條可行的技術手段。 

【關鍵詞】無人機航測技術；鄉(xiāng)村；古建筑；實景三維模型

1引言

古建筑是社會進步、經(jīng)濟繁榮、文化昌盛的標志，它以獨特的形式承載了大量的歷史信息，是各地區(qū)獨特鄉(xiāng)土文化的集中體現(xiàn)[1]。但現(xiàn)實中，傳統(tǒng)民間建筑的傳承、保護與開發(fā)仍處于十分尷尬的境地，具體措施往往滯后[2]。改革開放以來，城市建設飛速發(fā)展，鄉(xiāng)村居民逐漸向城市搬遷，由于早期沒有對古建筑進行相應的評估，且許多民間古建筑長時間無人看管維護，使很多古建筑在城鄉(xiāng)建設途中逐漸消亡[3]。目前，還沒開發(fā)并保護相對完好的古建筑，大多分布在偏遠的鄉(xiāng)村中[4]。隨著第三產(chǎn)業(yè)的興起以及人民生活水平的大幅提高，旅游業(yè)服務需求激增，因此，各地開始打造文化旅游基地，挖掘歷史人物、名勝古跡，打造了一批如“麗江古城、同里古鎮(zhèn)、鳳凰古城、磁器口古鎮(zhèn)”等歷史文化名鎮(zhèn)，為地方經(jīng)濟的發(fā)展帶來了極大品牌效應。然而，偏遠鄉(xiāng)村的經(jīng)濟發(fā)展較為落后，古跡文化的挖掘程度還不夠高，原始素材獲取手段較為單一，因此采用一種新型技術手段，對鄉(xiāng)村古建筑現(xiàn)狀進行分析，建立照片、影像及三維實景模型等多維資料，進而開展古建筑保護、鄉(xiāng)村景點打造，對貧困鄉(xiāng)村的經(jīng)濟發(fā)展有很大的推動意義。

2無人機航測技術的優(yōu)勢

無人機航測系統(tǒng)是以無人機為飛行平臺，搭載相機、激光雷達、三維激光掃描、熱紅外、高光譜等設備，以飛控軟件控制其自主飛行，獲取所需遙感數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。無人機航測技術相對于衛(wèi)星遙感技術，具備工作方式比較靈活，生產(chǎn)周期較短，適合于中小范圍地形勘察或三維建模項目，相對于傳統(tǒng)測繪技術，具備二維及三維成果豐富、不需要點位間通視，勞動強度低、工作相對安全等優(yōu)勢，廣泛應用于各行業(yè)工程規(guī)劃設計、國土資源管理與開發(fā)、地質災害應急處理、電力水利行業(yè)巡線安檢、智慧城市等領域，尤其是在工程測繪、國土資源調查監(jiān)測、應急救災等領域有廣泛的應用前景[5]。在古建筑保護中，覆蓋區(qū)域較小，因此旋翼無人機相對于另外兩種類型無人機，具備起飛條件機動靈活、數(shù)據(jù)采集方便、影像處理及時高效、設備維護成本較低等優(yōu)點，因此，利用旋翼無人機以遙感測量技術手段，利用航拍影像建立古建筑的實景三維模型，有利于降低人工作業(yè)風險，更適合古建筑遺產(chǎn)保護工作[6]。

3古建筑應用實例

3.1古建筑概況

本次實驗選址為陳萬寶莊園，位于重慶涪陵區(qū)青羊鎮(zhèn)，為穿枓木結構，兩重堂四合院帶附院一樓一底建筑，建筑面積在10hm2以上，其建筑結構、建筑風格、建筑設計、建筑藝術堪稱民居精品，素有川東陳萬寶，川西劉文彩之說法[7]。但是，由于位處偏遠鄉(xiāng)村和以前保護意識不夠強，在鄉(xiāng)村改造中其主樓已被拆除，目前莊園其他建筑保護及配套設施建設也不夠完備，制約了新時代鄉(xiāng)村旅游資源的開發(fā)，為此，采用無人機航測技術開展應用研究，獲取三維模型及影像資料，助力古建筑保護。

3.2航測實驗開展

莊園建筑為兩層磚木結構，且建筑區(qū)域相對平坦，因此以大疆精靈4Pro無人機開展航測實驗。實驗中，將無人機飛行到一定高度，運用手動航拍模式，先將攝像頭調至向下90°，每隔一定距離拍攝正射影像，之后將攝像頭調至向下45°，同樣手段拍攝四個方向傾斜影像，共計150張，航拍位置如圖1所示。

3.3建筑三維模型制作

目前，建筑傾斜實景三維建模軟件主要有Pix4D、ContextCapture、Photoscan、Inpho、Mirauge3D等，各處理軟件均有其特點。本次實驗像片處理采用ContextCapture軟件，該軟件綜合性能較好，且智能化極強，處理較為便捷。模型制作過程如下。1）新建工程設置工程路徑，將像片導入軟件中，檢查像片參數(shù)，屬性一般默認設置，添加像控點并進行刺點工作，提交空中三角測量。若空三運行正確，則進入下一步，若空三出現(xiàn)錯誤，則需檢核刺點位置、控制點信息等是否準確，檢查路徑重新提交即可。2）新建重建項目根據(jù)運行電腦RAM確定切塊大小，編輯空間框架，對工程范圍進行裁切，設定好之后，即可提交新的生產(chǎn)項目。3）設定輸出形式根據(jù)產(chǎn)品需求，設定輸出成果形式，打開引擎，軟件自行計算。4）檢查三維模型效果可用Acute3DViewer軟件打開場景數(shù)據(jù)，檢查三維模型處理效果，經(jīng)過與實測數(shù)據(jù)進行驗證，實景模型成果精度在cm級，模型效果較好，量測對比示意圖如圖2所示。經(jīng)過實驗，可見消費型無人機在古建筑保護，尤其是前期規(guī)劃、三維模型資料獲取方面有很大的優(yōu)勢，其投入成本和技術難度不高，對鄉(xiāng)村古建筑保護有很大的應用價值，尤其是在古建筑保護立項申報前或維護經(jīng)費不足等環(huán)節(jié)中得到充分的應用。另外，為保證模型的完整度，尤其是在遮擋區(qū)域，還需要地面補拍，協(xié)同處理，彌補模型中部分空洞或模糊情況，得到較好的三維實景模型。如果需要更高精度的三維實景模型，如mm級，則需借助三維激光掃描技術來完成，這個投入就相對要大一些了，可在后續(xù)精細三維模型建設中使用。

4結語

通過無人機航測技術建立三維實景模型在各領域中的應用已十分廣泛，三維實景模型技術的發(fā)展，對鄉(xiāng)村古建筑的現(xiàn)狀挖掘、保護修復以及地方特色景區(qū)的打造推廣有極大的意義。因此，無人機航測技術作為一種新型的技術手段，持續(xù)挖掘西南片區(qū)鄉(xiāng)村古建筑的特色，促進古建筑保護和地方經(jīng)濟一體化發(fā)展，為貧困鄉(xiāng)村脫貧攻堅提供一條可行的思路。

參考文獻

[1]永樂古建.民間古建筑保護可謂任重而道遠仍需不斷探索[EB/OL].

[2]樊雯，方大蓉.城市化進程中的歷史文化堅守——望水古鎮(zhèn)建筑文化的保護與傳承[J].重慶工商大學學報(自然科學版)，2017，34(5):113-118.

[3]宋磊.古建筑保護中的新技術應用[J].城市建筑，2020，17(21):136-137.

[4]段德罡，劉波，申研.以“用”促“?！薄惤瓕毶绞^城保護實踐[J].華中建筑，2012，30(6):123-127.

[5]2019世界無人機大會無人機測繪行業(yè)交流論壇[J].中國公共安全，2019(8):26.

[6]閆宇，李哲，張玉坤，張鳳梧.“空地協(xié)同”的古建筑測繪方法初探——北京壽皇殿建筑群實施案例分析和總結[J].古建園林技術，2015(4):81-86.

[7]360百科.陳萬寶莊園[EB/OL].

作者：袁士才 劉書婷 唐忠海 陳章傑 單位：長江師范學院