傾斜攝影測量技術(shù)在西藏文物建筑保護(hù)中的應(yīng)用

王達(dá)標(biāo)

摘 要：近年來，相關(guān)人員在保護(hù)和修復(fù)西藏文物建筑時(shí)，會使用傾斜攝影測量技術(shù)來獲取文物建筑的全彩色三維數(shù)據(jù)。這種測量技術(shù)比傳統(tǒng)測量技術(shù)更加快捷、高效。概述運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模的實(shí)踐案例，分析這一技術(shù)在西藏文物建筑保護(hù)中運(yùn)用存在的問題，并指出傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用前景，對西藏文物建筑的保護(hù)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量技術(shù);西藏文物建筑;三維建模

基金項(xiàng)目：本文系西藏大學(xué)培育基金項(xiàng)目“西藏傳統(tǒng)寺廟總體形態(tài)特征及動(dòng)因分析——以拉薩三大寺為例”（ZDQMJH18-07）、西藏大學(xué)環(huán)喜馬拉雅區(qū)域建筑研究“環(huán)喜馬拉雅區(qū)域建筑研究”（ZFYJY201902015）研究成果。

文物建筑是一個(gè)時(shí)代和地區(qū)精神文化與歷史特征的載體，是珍貴的物質(zhì)和精神財(cái)富，保護(hù)文物建筑對我國傳統(tǒng)文化的傳承具有積極作用。近年來，我國越來越重視文物建筑的保護(hù)工作。2018年10月8日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)文物保護(hù)利用改革的若干意見》，對文物保護(hù)利用改革工作提出了更高的要求，對新時(shí)代文物事業(yè)改革發(fā)展進(jìn)行了全面部署。我國之前對文物建筑進(jìn)行總體測繪主要依靠人力，之后逐漸開始將三維掃描儀作為收集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的工具。由于三維掃描儀視角具有局限性，因此無法完整地拼接出全面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這給文物建筑頂面點(diǎn)云數(shù)據(jù)及地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集造成了一定的影響。

與此同時(shí)，社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也給西藏傳統(tǒng)文物建筑保護(hù)帶來了許多新的挑戰(zhàn)。西藏地區(qū)大量的文物建筑處于地質(zhì)條件較危險(xiǎn)的山區(qū)地帶，難以抵御自然環(huán)境的急劇變化。再加上西藏文物建筑大多缺少三維數(shù)據(jù)，建筑一旦被破壞就難以修復(fù)。此外，文化旅游業(yè)的飛速發(fā)展使西藏大量文物建筑承受游客不間斷參觀的壓力，這會給建筑的木結(jié)構(gòu)帶來持續(xù)且不可預(yù)見的傷害。因此，西藏地區(qū)文物保護(hù)工作迫在眉睫。傳統(tǒng)的人力測繪加三維掃描的模式難以獲取文物建筑群落精準(zhǔn)的空間位置信息，而利用傾斜攝影測量技術(shù)則可以快速建立文物建筑全景式、全色彩的三維模型，清晰地展現(xiàn)建筑與周圍環(huán)境的地形及位置關(guān)系。該技術(shù)還支持后期的數(shù)據(jù)分析研究，能夠建立三維模型數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)文物建筑的數(shù)字化保存。

一、傾斜攝影測量技術(shù)

在傳統(tǒng)建筑的保護(hù)過程中，最基礎(chǔ)的工作就是對傳統(tǒng)建筑物本體進(jìn)行有效測量，獲得建筑物三維表征的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，需要對三維建筑實(shí)體進(jìn)行二維數(shù)據(jù)測量，然后利用大量的二維數(shù)據(jù)重新拼合出三維建筑實(shí)體。雖然以這樣的方式進(jìn)行測量可以得出三維建筑模型，但這種方法也具有一定的局限性。

如果在測量時(shí)使用傾斜攝影測量技術(shù)，則首先要對測量對象進(jìn)行不同角度且有一定重疊率的拍攝，這一過程往往用無人機(jī)加五向鏡頭來完成。其次是要通過軟件對不同影像間的相同像素點(diǎn)進(jìn)行三角測量的處理及計(jì)算，在數(shù)字世界生成虛擬現(xiàn)實(shí)的三維模型數(shù)據(jù)庫，以此來實(shí)現(xiàn)測量對象的數(shù)字化。在測量中使用這一技術(shù)，相對傳統(tǒng)測量而言更加真實(shí)、快捷、高效。而且利用數(shù)字化技術(shù)保存文物古建筑各項(xiàng)形式的數(shù)據(jù)和空間位置關(guān)系等重要資源，可以實(shí)現(xiàn)對瀕危文物資源科學(xué)、高精度且永久的保存。

這一技術(shù)的運(yùn)用對西藏文物建筑而言最大的優(yōu)勢就是能夠把建筑物同周圍地形環(huán)境一同建模。西藏的文物建筑大多建在地貌復(fù)雜、高低差較大的山地上，因此需要格外重視地形對文物建筑安全、整體風(fēng)貌、藝術(shù)景觀等方面的影響。

二、應(yīng)用實(shí)例：熱瑪強(qiáng)康拉康

（一）實(shí)例概況

熱瑪強(qiáng)康拉康位于西藏自治區(qū)拉薩市林周縣卡孜鄉(xiāng)克布村，是一座藏傳佛教寺院。該寺始建于公元1015年，2009年，被列為西藏自治區(qū)文物保護(hù)單位。熱瑪強(qiáng)康拉康現(xiàn)有建筑由經(jīng)堂、拉章、僧舍等建筑組成，寺內(nèi)主供強(qiáng)巴佛，為林周“澎波強(qiáng)巴三兄弟”之一，號稱“念列強(qiáng)巴佛（意思為耳美）”。寺內(nèi)珍藏大量佛教塑像、佛塔等文物，具有較高的歷史及藝術(shù)價(jià)值。該寺所在地海拔接近4200米，其下是160余米高的陡峭山坡，背后依靠像五指山一樣百米高的懸崖峭壁，地勢極其險(xiǎn)峻，建筑嵌在崖體之上，山寺融為一體，分布面積2000多平方米，利用傳統(tǒng)方法測量難度極大（圖1）。

（二）主要步驟

通過傾斜攝影測量技術(shù)獲得整個(gè)地理環(huán)境與建筑關(guān)系的三維全彩數(shù)字模型、DSM、正射影像及DWG總平面圖，整個(gè)過程安全、快捷、真實(shí)、高效。無人機(jī)以 Phantom 4 Pro V2.0為例，后期數(shù)據(jù)處理軟件以Context Capture為例，主要步驟如下。

一是要檢查無人機(jī)設(shè)備的狀態(tài)。檢查電池電量是否能夠滿足飛行所需時(shí)間;檢查飛控軟件與無人機(jī)之間是否進(jìn)行了有效連接。此外，針對不同的拍攝對象，應(yīng)給無人機(jī)鏡頭設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)。

二是通過現(xiàn)場勘察確定需要測量的區(qū)域范圍，從而規(guī)劃無人機(jī)的航線。要確認(rèn)無人機(jī)飛行高度及航向重疊率、旁向重疊率、鏡頭角度等參數(shù)。無人機(jī)飛行高度越低，照片重疊率越高;無人機(jī)滯空時(shí)間越長，數(shù)據(jù)量越大，模型質(zhì)量就越高。

三是操控?zé)o人機(jī)飛行。在這個(gè)過程中，若臨近山崖峭壁，則需要在設(shè)定好航測高度后，先手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)起飛到航測高度，然后讓其飛臨區(qū)域范圍的各邊緣點(diǎn)。相關(guān)人員要實(shí)時(shí)檢查自主飛行過程中無人機(jī)是否存在撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

四是讓無人機(jī)自主飛行。無人機(jī)利用航測軟件進(jìn)行自主定位拍攝，且在飛行過程中相關(guān)人員要隨時(shí)關(guān)注風(fēng)速和接收信號的強(qiáng)度對自主航測的影響，要盡量做到肉眼觀察，避免無人機(jī)信號丟失的情況發(fā)生。

五是當(dāng)飛行時(shí)長超過無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間時(shí)，需要手動(dòng)更換電池，通過多次飛行來完成數(shù)據(jù)的采集工作。

六是檢查圖像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入工作站，在Context Capture軟件中調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行空三加密和三維建模、正射影像的生成。此外，還可以根據(jù)需求轉(zhuǎn)換不同的數(shù)據(jù)格式，利用測繪軟件繪制出總平面圖（圖2）。

（三）存在的問題及注意事項(xiàng)

其一，西藏文物建筑所在的地域往往地形復(fù)雜、氣候多變且海拔較高。相關(guān)人員在設(shè)定無人機(jī)飛行高度時(shí)要極為慎重。在飛行拍攝過程中，受氣候、地形等因素的影響，信號丟失的狀況頻發(fā)，因此操作者需要不間斷地觀察飛機(jī)的狀態(tài)，及時(shí)處理特殊情況。

其二，西藏文物建筑組合復(fù)雜，外形特殊，尤其是檐口部位，厚度較大且細(xì)節(jié)煩瑣，三維數(shù)字模型容易出現(xiàn)檐口鼓包等情況，致使正射影像失真。這就需要后期在Context Capture軟件中通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理。

其三，西藏陽光強(qiáng)烈，空氣通透度高，建筑明暗光比極大。因此，可適當(dāng)加拍建筑的陰影部位，加入空三運(yùn)算以提升建筑陰影部分的生成效果。

其四，運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)得到的圖像數(shù)據(jù)量十分龐大，處理起來需要耗費(fèi)大量時(shí)間。因此，可以使用配置較高的計(jì)算機(jī)或使用計(jì)算機(jī)集群來聯(lián)網(wǎng)處理，以提高后期出圖的工作效率。

（四）三維數(shù)據(jù)的分析和利用

三維數(shù)據(jù)可以輕松轉(zhuǎn)化為二維數(shù)據(jù)，相關(guān)研究人員可以使用二維數(shù)據(jù)對文物建筑存在的問題進(jìn)行分析和研究。此外，相關(guān)人員也可以直接基于成果影像進(jìn)行高度、長度、面積、角度、坡度、土方量等量測。這極大地拓展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用范圍（圖3）。

通過對數(shù)據(jù)的整理分析，可以深入探索西藏文物建筑的保護(hù)利用和監(jiān)督機(jī)制，從而為文物建筑群體的防災(zāi)減災(zāi)、消防預(yù)警、數(shù)字化保護(hù)研究、后疫情時(shí)代背景下的智慧旅游等相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

三、結(jié)語

西藏是文物建筑大省，其建筑具有鮮明的民族特色，且眾多的文物建筑處于地形較為復(fù)雜、海拔較高的區(qū)域。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和旅游人數(shù)的攀升，相關(guān)部門要建立文物建筑的數(shù)據(jù)資料庫和保護(hù)監(jiān)督機(jī)制，并且要制定新時(shí)代背景下文物建筑的保護(hù)、展示和利用新機(jī)制。而運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供支持，因此，相關(guān)部門應(yīng)深入探索研究傾斜攝影測量技術(shù)，為西藏文物建筑保護(hù)工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)。

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作者單位：

西藏大學(xué)工學(xué)院、西藏大學(xué)中國藏學(xué)研究所（珠峰研究院）