無人機影像在文物建筑保護中的應用

付力

摘要：近年來無人機技術不斷興起，尤其小型智能無人機技術飛速發展。當小型智能無人機與GIS地理信息系統結合起來，就成為建筑遺產保護事業一種新的工作方法。本文結合實例介紹了無人機影像在古塔類建筑，土遺址保護以及傳統村落保護等工作中應用的技術和方法，展示了無人機影像為文物建筑保護工作提供了新的技術支持。采集的數據經過處理不僅為文物保護工程提供參考數據支持，更作為檔案為長期遺產監測的參考。隨著無人機技術領域的不斷發展，本文介紹的工作方法與思路將會成為建筑遺產保護工作中一種重要的科技保護手段。

關鍵詞：文物建筑；無人機影像；攝影測量；三維重建

在以往的文物建筑保護工作中，經常遇到因文物建筑本體周邊地形環境復雜，人的視角無法看到文物建筑本體的每個部位和細節，例如需要對古建筑屋面進行測繪或者調查殘損狀況，就需要借助梯子或周邊的高大建筑物，小型多旋翼無人機的出現就為這種情況下的工作提供了極大便利。當人自身視角受到限制時，小型多旋翼無人機攜帶相機起飛可為我們提供文物建筑本體及周邊環境的詳細影像資料。

攝影測量，是利用光學攝影機獲取的相片，經過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關系的一門學科。在獲取文物建筑影像后，我們利用攝影測量技術分析無人機影像，為文物建筑保護工作提供支持。結合三維重建技術，實現文物建筑全面數字化的分析與建檔。此種工作方法，相比于三維激光掃描技術，具有操作簡便，外業作業效率高，內業數據處理快，模型效果更佳真實等優勢，適合在文物建筑保護工作中推廣使用。

近年來無人機技術發展迅速，從2010年到2016年，僅僅6年的時間，小型多旋翼無人機就經歷了四次技術變革。2010年至2012年多旋翼無人機集成化的飛行控制系統出現，實現了利用CPS增穩飛行，定點懸停和自主返航等功能。2012年至2014年，利用無刷電機驅動的三軸云臺和WiFi數字圖像傳輸的出現，使多旋翼無人機實現了穩定的拍攝影像，開始了真正意義上的航拍。2014年至2015年，4K相機，高清圖傳和視覺定位成為第三代多旋翼無人機的特點。進入2016年，具有環境感知，自動避障等功能以及開放SDK的第四代多旋翼無人機出現，多旋翼無人機開始進入智能時代。隨著無人航空器數量增加，相關法規也不斷完善，2013年11月18日，實施的《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》中明確，空機質量小于7公斤，飛行半徑500米以內，相對高度不超過120米的微型無人機無須證照管理，但是建議取得駕駛員合格證后持證工作，畢竟從事文物建筑保護工作中很多文物建筑地處城鎮或景區等人口稠密區域。

我們需要選擇適合于工作的無人機。電力驅動的多旋翼無人機因其飛行速度較慢，可垂直起降，可穩定懸停，對起降場地要求簡單，攜帶便捷等優勢成為我們的選擇的類型（圖1）。選定無人機類型后，我們要求工作無人機滿足以下條件。第一，具有高度安全的飛行性能，由于文物建筑保護工作不可能像考古發掘現場一樣，做到把地面人員完全撤離無人機工作區域，甚至無人機會經常在人口稠密區域工作。這就需要無人機有集成化的硬件設計，與傳統多旋翼無人機裸露的飛控與導航系統的布局相比，具有減少故障率，使用便捷，抗干擾能力強等優勢。很多文物建筑地處山區，山區氣流復雜，需要無人機有更好的抗風性。第二，能獲取高分辨率的影像和高清圖像傳輸，因為文物建筑保護工作的嚴謹性，需要精確控制無人機飛行高清圖傳必不可少。第三，為了后續以無人機作為平臺拓展工作范圍，需要無人機具有開放的SDK（軟件開發工具包），為各種輔助軟件的配合使用奠定基礎。基于以上要求，我們選擇DJl Inspire 1多旋翼無人機作為工作平臺，云臺相機為1200萬像素，配20毫米的廣角鏡頭。

一、無人機影像在古磚塔類文物

建筑保護中的應用

古磚塔是文物建筑中一個特別的門類，由于其本身形制結構的原因，一直存在建筑本體測繪和病害調查工作難度大的問題。以往工作中，在做磚塔建筑維修設計方案前，就需要在本體周圍打滿腳手架，測繪人員才能到達塔身對塔進行測繪與病害調查。這些經歷幾百年洗禮的磚塔本身也存在結構安全問題，這種方法不僅耗費人力物力財力，而且對測繪人員的安全也存在威脅。通過遙控無人機對磚塔進行影像采集，結合攝影測量和三維重建技術，精度完全可以滿足測繪和病害調查的工作要求，取代傳統繁瑣的現場工作。

（一）控制點布設與無人機影像采集

在遙控無人機采集影像之前，要在拍攝區域的四角布設至少4個控制點，控制點地面放上標靶。標靶顏色要醒目，保證在采集的影像中能明確看到標靶中心。對標靶位置坐標進行測量，不建議使用RTK之類設備，因測量范圍較小誤差較大，不滿足建筑測繪精度的要求；而應使用電子全站儀測量，特別是使用免棱鏡方式直接瞄準控制點中心進行測量，能夠將測量精度控制在誤差3至5毫米。同時還要對布設的控制點進行方位和拍照記錄，避免后期數據處理時出現錄入錯誤。

控制無人機起飛之前，要對天氣環境進行判斷，觀察有無干擾源，每次飛行的地點距離超過10公里都要重新校準地磁，保證飛行安全是首要前提。盡量選擇在陰天進行影像采集工作，這樣能減弱晴天陽光直射下相機對磚塔的明暗部拍攝時因光照不同產生曝光量的巨大反差，明暗差距過大的照片會增加后期處理的工作量，增加軟件的運算難度。拍攝前，首先進入DJl GO軟件，校準地磁。如果在晴天采集影像，將相機調制M檔位，將相機朝向磚塔的朝陽面進行測光，以此為標準將EV值減2/3檔，當無人機對磚塔暗部拍攝時，要根據實際情況增加曝光量，如果拍攝的照片過暗，即使用軟件進行修正也會在暗部產生大量噪點，對數據處理產生影響。起飛前要對無人機飛行路線進行規劃。以河南宜陽五花寺塔為例，五花寺塔為青磚結構、八角密檐式的古塔，遙控無人機在距離塔身5米處沿五花寺塔的每個角自下而上或者自上而下垂直飛行，保持鏡頭與垂直方向呈5°的傾角對塔每層的塔身和塔檐各拍一張照片，塔的一個角拍完繼續拍攝另一個角，對于塔頂和塔剎拍攝時，鏡頭要與垂直面呈40°傾角拍攝。對塔基位置拍攝時，鏡頭也要與垂直方向呈40°傾角，并且與塔身的距離稍遠一點，這樣方便拍攝到塔身周邊的地面和預先布設的控制點標靶（圖2）。采集完成后，現場檢查采集的影像，如果塔身有沒有拍到的部分，例如塔檐的下部，可在地面上用相機補拍，確保沒有漏拍的位置。

（二）數據處理及應用

數據處理階段，首先對采集的影像進行亮度和對比度的調節，保證處理前影像的明暗效果較為統一。通過Adobe Photoshop軟件的“色階”和“曲線”功能調整影像的亮度和對比度，必要時可用“陰影/高光”功能找回暗部或亮部細節，但是要根據情況控制找回細節的程度，設置數值過大會造成大量噪點的產生，影響三維重建的模型質量。

Agisoff PhotoScan是一款基于影像自動生成高質量三維模型的軟件，不需要設置初始值和相機檢校，它利用多視圖三維重建技術對影像進行處理，通過控制點則可以生成真實坐標的三維模型。照片的拍攝位置是任意的，無論是航攝照片還是高分辨率數碼相機拍攝的影像都可以使用。整個工作流程無論是影像定向還是三維模型重建過程都是完全自動化的。PhotoScan可生成高分辨率正射影像及帶精細色彩紋理的DEM（數字高程模型）模型，使用控制點精度可以達到厘米級別。

將影像導入Agisoft Photoscan軟件，處理步驟分為“對齊照片”“生成密集點云”“生成網格”“生成紋理”四個步驟。首先選擇對齊照片，精度選擇“高”，生成稀疏點云（圖3）。利用調整區域大小工具，選擇工作區域，剔除不需要的稀疏點云以提高運算速度。選擇“建立密集點云”選擇使用中等或中等以上的精度（圖4）。再通過“生成網格”和“生成紋理”兩步，完成三維模型重建，這四個步驟的參數設置可根據文物建筑的復雜程度自行設置參數（圖5、6）。最后在建好的模型中找到事先布設好的控制點通過“創建標記”輸入各個控制點的三維坐標，這樣組成整個模型的每個密集點云就都有了自己的空間位置信息。

利用生成的三維模型，我們可以從各個視角對塔身的殘損情況進行調查，不再需要現場搭設腳手架，節省了人力物力財力，提高了工作效率（圖7、8）。可在導出的三維模型上對塔身各個部位的尺寸進行精細測繪，也可對地基沉降，塔身傾斜角度進行測量。無人機采集塔身外部影像的同時，人攜帶相機對塔身內部進行拍照，以同樣的方法對采集的影像進行三維重建處理，再將模型進行切割，即可分別繪制塔身的剖面圖和每一層的平面圖。這種工作方法基本將以往繁重的外業文物建筑本體建筑測繪工作，以數字化的形式搬到了電腦上進行，使得測繪精度和工作效率都得到了提高，同時也建立了完整的文物建筑本體數字化的檔案。

二、無人機影像在土遺址保護工作中的應用

土遺址由于分布廣，類型多，組成復雜，保護研究工作起步較晚，其保護在世界文化遺產保護領域一直是個難題。我們利用無人機影像通過數字攝影測量和多視角三維重建技術，對土遺址本體進行三維重建，快速對土遺址本體進行精細測繪，為保護工程提供準確依據，同時對土遺址本體保存狀況的監測提供參考。

（一）無人機航線規劃及影像采集

首先要在影像采集區域的四角布設四個控制點，因每個土遺址的本體和周邊環境不同，無人機需要以不同的相對高度飛行，所以我們需要準備不同尺寸的控制點標靶。當飛機以30米至60米的相對高度飛行時，需要使用長寬各50厘米的標靶，當飛機以60米至100米的相對高度飛行時，需要使用長寬各100厘米的標靶。必須保證控制點標靶在采集的影像中能清晰可見，這樣才便于準確標注控制點坐標。因土遺址范圍較大，需要使用RTK等設備對控制點進行測量。同時可以再選取幾處地面的明顯標志物測量其坐標位置，作為備用控制點。

對土遺址的影像采集，需要無人機以一定的相對高度，飛行若干條平行的折返航帶，同時采集的影像相鄰的兩張影像有70%-80%的航向重疊，兩條航帶所采集的影像有40%的旁向重疊。因為無人機每次飛行有著不同的地理和氣象環境背景，風速和風向的變化都會對無人機的飛行產生干擾，因此想要手動控制無人機飛行，使無人機不偏離航線并且采集滿足重疊率要求的影像十分困難，同時還要對無人機工作電量做好預估和規劃。鑒于我們選用的無人機具有開放的SDK（軟件開發工具包），所以我們使用第三方軟件Altizure用于規劃航線和控制無人機自主飛行及影像采集。

Altizure軟件工作界面（圖9），綠色區域為影像采集區域，藍色圓點為控制人員所在位置，藍色箭頭為無人機位置及機頭方向，畫面上方為GPS接收衛星數量和電池電量電壓，左下角為影像采集區域面積及飛行參數，右下角為相機實時畫面。使用Altizure軟件首先在衛星地圖上規劃影像采集區域，設定飛行高度，軟件支持設定的飛行高度為20米至500米，一般常用的飛行高度為40米至100米，應確定設定的飛行高度高于地面障礙物，保證飛行安全。軟件會根據設定的飛行高度在采集區域內自動規劃出滿足影像采集重疊率要求的航線。生成1至5條航線，第1條航線為正射影像采集航線，相機垂直于地面采集影像，第2條至第5條航線為傾斜攝影采集航線，相機與水平面呈30度夾角傾斜采集影像，可以根據采集對象的復雜程度選擇航線（圖10）。選擇采集區域的時候需要注意，以TB-48電池為例，一塊電池的電量可以支持以80米的飛行高度完成長約為350米，寬約為200米的范圍的正射影像采集。顯示飛行時間為10分鐘25秒，這個時間為無人機在航線中的飛行時間，同時還要將起飛降落的電量預留出來。經反復試驗，10分鐘左右的航線飛行時間較為穩妥，超出這一時間有可能造成電池電量不足。如果需要采集的土遺址范圍較大，也可以將大的采集范圍分成幾條航線進行影像采集。無人機應選擇制高點起飛，兩個人配合，一人作為控制員控制無人機，一人作為觀察員時刻觀察無人機狀態，無人機以F檔位起飛，一旦出現異常立刻切換至P檔位解除自主飛行奪回控制權。無人機進入預先規劃的航線后，Altizure軟件會控制無人機自主勻速飛行，同時自主進行影像采集。經長期使用驗證，Altizure軟件配合DJl Inspire 1無人機使用具有飛行穩定性高，工作效率高，影像采集精準無死角等特點。

（二）數據處理及應用

以南頓故城北城墻為例，將影像導入AgisoftPhotoscan軟件，經過“對齊照片”“生成密集點云”“生成網格”“生成紋理”“錄入控制點坐標”等步驟完成模型的重建（圖11）。選擇“導出正射影像”，將地表表面數字高程模型導出為TIFF格式文件（圖12），將TIFF文件導入Global Mapper軟件生成帶等高線的數字表面高程模型（圖13），由于是地表表面的數字高程模型，所以城墻表面生長的植物會對等高線的精度產生影響，所以盡量選擇在冬季植物落葉后再進行影像采集，少了植物的干擾生成的數字高程模型更為準確。最后可導出CAD文件用于繪制小比例尺地形圖，應用于城墻本體的維修加固設計。

這種利用無人機影像進行土遺址本體測繪的方法，相比于傳統測繪方法，不僅效率高精度高，尤其對于一些保存狀況較差，土質疏松的土城墻遺址來說，這種方法不需要工作人員與土遺址本體接觸也避免了對本體的二次破壞。相比于三維激光掃描的測繪方法，又具有設備成本低、外業工作量小、內業數據處理快的優勢。

三、無人機影像在建筑遺產調查

及遺產監測中的應用

無人機影像在建筑遺產調查中也發揮著重要作用。近年來國家大力推進傳統村落的保護工作，要保護首先就要摸清楚傳統村落中古民居的保存現狀。以往進行古民居調研只是對單個建筑本體進行拍照，或者對單個的院落布局繪制簡單的平面圖，無法對整個傳統村落的布局和周邊環境進行把握。很多傳統村落又地處偏遠地區，缺少地形圖，整理調研資料的時候經常遇到，對一個院落做了詳細的記錄卻不清楚這個院落位于傳統村落的哪個位置。收集的資料總是碎片化的，缺少對整個傳統村落空間布局的記錄。

小店河清代民居建筑群，是中國首批傳統村落、豫北地區規模最大和原有風貌最完整的清代民居建筑群。通過與土遺址本體測繪相似的方法使用無人機影像快速獲取整個傳統村落的三維重建模型和正攝影像圖（圖14、15），使得文物建筑保護工作人員對整個村落的布局和保存狀況有了更加清晰直觀的了解，對于研究傳統村落的山水環境，選址，建筑布局提供了重要依據。同時這種方法對于整個傳統村落進行了數字化的建檔，數字三維模型所包含的信息遠比平面的照片更加豐富。

利用無人機影像建立三維模型成本低，速度快，可以定期對文物建筑進行影像采集，經過一段時間的監測，將幾次采集的影像進行三維重建后的模型進行對比，文物建筑病害殘損的發展，傳統村落古民居的消逝，土遺址的病害發展及保護措施的保護效果，遺產周邊環境的治理情況都能清晰的反映出來，為遺產監測工作提供了新的方法。

四、結語

無人機影像在文物建筑保護工作中的應用，不僅是提供更多是數據分析和參考，更是對文物建筑測繪工作方式的一種變革，改變了多年來只能靠卷尺、測距儀、手工繪圖的方法。尤其是針對磚塔類和磚石結構的文物建筑，整個建筑測繪工作的精度和效率都有了巨大進步，磚塔的測繪工作，省去了以往搭腳手架的工作程序，一次影像采集就完成了病害殘損調查，建筑測繪等多個工作任務。對土遺址本體的測繪更加精準全面，以前人無法到達的地方現在都可以清晰的展現在三維模型上，同時也減少了測繪工作對土遺址的破壞。

利用無人機影像生成的三維模型，準確度高，模型表面紋理豐富逼真，為文物保護單位的宣傳展示提供了新的方式。參觀者通過一塊屏幕就能了解文物建筑的全貌，而且可以從不同的角度來觀看文物建筑，結合近年來興起的VR虛擬現實技術，讓不可移動文物的展示進入全新的數字化時代。

無人機影像結合三維重建技術，不僅提高了文物建筑保護工作的效率，而且提供的更為準確的數據，隨著無人機技術的發展和相關軟件的不斷進步，這種方法將會更廣泛的應用于文物建筑保護工作中，成為文物建筑科技保護工作的重要方式。