基于無人機(jī)攝影測量的建筑遺產(chǎn)數(shù)字化及其保護(hù)策略研究

燕圣澤，郭華瑜，孫 政，成方鈺

（南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 210009）

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)帶來的新方法

近年來，隨著無人機(jī)攝影測量設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展，建筑遺產(chǎn)測繪也從傳統(tǒng)人工測量為主不斷向著數(shù)字化、精細(xì)化發(fā)展。由于建筑遺產(chǎn)測繪對象往往高度較高、屋頂形態(tài)復(fù)雜，周邊環(huán)境復(fù)雜，令傳統(tǒng)測繪方法難以安全、全面、準(zhǔn)確、便捷地進(jìn)行測繪；也存在單次測繪時間長、記錄圖像信息不夠全面、對建筑遺產(chǎn)本體干擾較大等缺點。而建筑遺產(chǎn)又必須定期測繪、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，通過動態(tài)監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)病害隱患，因此，改良技術(shù)，提升建筑遺產(chǎn)保護(hù)的效率和質(zhì)量就尤顯重要[1]。對不同角度拍攝圖像進(jìn)行三維重建的攝影測量技術(shù)能夠在不接觸建筑遺產(chǎn)本體的情況下高效地提供精確的圖像及點云數(shù)據(jù)，但存在諸如地面拍攝角度受限、易受建筑周邊植被遮擋、因視角問題難以測量坡屋頂?shù)娜秉c。無人機(jī)攝影測量技術(shù)則能夠在攝影測量的基礎(chǔ)上借助無人機(jī)提供精確的俯視角度圖片，為諸多傳統(tǒng)建筑屋頂?shù)慕Ｌ峁┣逦鷾?zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并憑借其操作安全便捷、非接觸式測量、受場地植被影響小、記錄外觀信息較為全面的特點為建筑遺產(chǎn)測繪提供新的方法[2]。

2 南京中山陵光化亭保存狀況

南京中山陵光化亭建成于民國二十三年（1934 年）秋，是舉行孫中山先生奉安大典時由華僑捐資建造。設(shè)計師為現(xiàn)代建筑學(xué)家、建筑史學(xué)大家劉敦禎先生，雖然不同于中國傳統(tǒng)建筑以木結(jié)構(gòu)為主的結(jié)構(gòu)體系，光化亭為純石材建造，但形式卻是仿木構(gòu)的亭榭式樣。因此在石材的加工與組建上，所有的石質(zhì)構(gòu)件均在福建的蔣源成（雕刻鋪）石刻廠完成，而后分件運抵南京光化亭選址處進(jìn)行安裝。亭為八角形，內(nèi)有圓石柱12 根，外圈石柱8 根，內(nèi)圈石柱4 根，外圈沿柱的四面設(shè)有石凳。在重檐中間嵌有豎匾，刻“光化亭”。亭整體所用石料為福建產(chǎn)花崗石，花紋精細(xì)。整個石亭全部用石在850t 以上，容積約為300m3，石亭構(gòu)件上雕刻紋樣多與中山陵主體建筑趨同，與中山陵主體建筑一樣均未施色彩，足見設(shè)計者充分考慮了建筑與中山陵環(huán)境的整體協(xié)調(diào)，精巧華美且不失莊嚴(yán)肅穆[3-4]。

光化亭雖采用中國傳統(tǒng)建筑式樣，但從形制、構(gòu)造、紋樣均有突破，具有近代建筑的一些時代特征。因地處中山陵，地位重要、含義特殊。作為一個純石構(gòu)亭式建筑，其用料未采用傳統(tǒng)建筑中常用的青石石料，而是選擇了堅實耐久但難加工的花崗巖，也未采用近代亭式建筑中常用的鋼筋混凝土。雕刻精美結(jié)構(gòu)精巧的光化亭位于中山陵小東山之上，未遭戰(zhàn)火損毀，人為干擾因素較少；周邊植被分布以及光、熱、濕條件穩(wěn)定。作為近代極具歷史、藝術(shù)、文化、科學(xué)價值的歷史建筑，光化亭的保護(hù)與展示對弘揚(yáng)中華文化，緬懷中山先生具有重要意義。作為役作純石構(gòu)建筑，光化亭的保護(hù)也迫在眉睫。在江南濕熱多余的環(huán)境中，光化亭也遭遇石質(zhì)文物建筑常見的病害并具有一定的典型性。因此對光化亭的研究有助于了解南京近代石質(zhì)文物建筑病害的生成原因，并幾次制定有針對性保護(hù)策略。

3 基于無人機(jī)攝影測量技術(shù)的光化亭數(shù)字化表達(dá)

光化亭位于中山陵小東山之上，建筑本身高度較高，手工測量有難度，屋面部分的形態(tài)與坡度等難以準(zhǔn)確把握。為了獲得更加精確的建筑信息，測繪階段通過無人機(jī)攝影測量、地面攝影測量方式對光化亭進(jìn)行了攝影測量，并對測繪成果進(jìn)行了梳理。

地面攝影階段獲取的照片因拍攝點高度以及視角限制，無法準(zhǔn)確清晰地查看到檐上情況，因此地面攝影階段主要針對光化亭外立面檐下部分以及內(nèi)部天花部分進(jìn)行了全方位的攝影記錄。無人機(jī)攝影階段利用無人機(jī)拍攝點的高度優(yōu)勢，在不同高度層以建筑為視角中心點，針對光化亭屋頂部分以及上檐部分進(jìn)行了多圈環(huán)繞式影像記錄。獲取影像記錄之后，經(jīng)過人工篩選、鏡頭矯正、顏色矯正，使影像資料能夠用于照片建模。綜合測繪階段獲得的圖像信息，使用Photoscan、CloudCompare 軟件建立了光化亭的照片建模模型以及點云模型。

測繪模型還原了光化亭整體形態(tài)與細(xì)節(jié)特征，經(jīng)過尺寸校對、色彩校對后達(dá)到了較好精度。模型準(zhǔn)確反映了病害狀態(tài)，為接下來的建筑測繪數(shù)據(jù)矢量化、病害初步分析、建筑修繕設(shè)計等提供了較為完備的數(shù)據(jù)與圖像資料，如圖1 所示。

圖1 光化亭八個側(cè)面數(shù)字化點云模型

4 基于數(shù)字化信息進(jìn)行的建筑病害分析

首先，通過對測繪模型的分析，模擬光化亭。模型顯示目前總體狀況良好，但病害仍較為明顯，主要分布于天花和屋面，主要表現(xiàn)為水漬、污漬、植被覆蓋等。再對屋面以及天花的模型進(jìn)行矢量化之后進(jìn)行了病害區(qū)分與標(biāo)注。

根據(jù)攝影測量模型提供的信息整理出的天花分件分析，可見建筑內(nèi)部天花整體情況較為一般，遍布多處水漬。南側(cè)情況較好，以少量動物損害和裂隙為主；北側(cè)情況較為嚴(yán)重，大量水漬、結(jié)垢的同時伴有微生物侵害痕跡，侵害分布不均的原因初步猜想是建筑受到的南北向采光通風(fēng)的不同以及周邊植被分布密度的差異引起的。

建筑各面梁枋上彩畫及雕刻圖案部分情況較好，僅為輕微積塵及少量裂隙，但屋面部分病害較為嚴(yán)重，由于雨水侵蝕及生物侵蝕，上、下層屋檐水漬與微生物病害共生；上層屋檐由于花崗巖構(gòu)件拼接緣故，也出現(xiàn)部分水漬。屋面總體水漬顏色明顯重于天花水漬顏色。

此外，對于建筑梁枋彩畫形式的石雕紋樣，由于材料原因（花崗巖）的耐腐蝕及屋檐保護(hù)，立面上的雕刻整體較為規(guī)整，除部分構(gòu)件邊角處有一定磨損外，沒有出現(xiàn)大規(guī)模的磨損、構(gòu)件缺失或者不平整現(xiàn)象。

依據(jù)國際古跡遺址理事會ICOMOS 下屬國際石材科學(xué)委員會ISCS 編制的《石材病害詞匯表》，光化亭病害主要種類為“變色&附著堆積”（DISCOLORATION &DEPOSIT）、（變色及沉積）、“BIOLOGICAL COLONIZATION 生物著生”（生物附著生長）。

5 基于數(shù)字化分析的光化亭保護(hù)策略研究

光化亭病害以石質(zhì)建筑表面的變色、沉積、水漬、生物附著為主，雖未對建筑本體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成大的損害，但已逐漸改變建筑風(fēng)貌。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中，雖應(yīng)適當(dāng)保留歷史滄桑痕跡，但對于病害卻應(yīng)防微杜漸。因此，對光化亭的病害，首先應(yīng)采取多種手段甄別、檢測，及時保養(yǎng)維護(hù)，以監(jiān)測為主；其次，通過減輕、排除病害發(fā)生源頭，避免現(xiàn)有病害進(jìn)一步加深，以免對建筑本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。此外，對已經(jīng)造成建筑外觀明顯變化且有礙觀瞻的病害進(jìn)行清除和修復(fù)。結(jié)合石質(zhì)歷史建筑病害修復(fù)的相關(guān)案例比較，對光化亭不同部分、不同種類以及不同程度的病害也應(yīng)保留積極的可選保護(hù)方案。

5.1 石構(gòu)件上彩畫紋浮雕病害及修繕策略

石構(gòu)件上的彩畫紋浮雕主要病害為灰塵堆積。因此，可對彩畫紋浮雕上的輕度積灰進(jìn)行清理，使用干毛刷即可，避免灰塵久積并與雨水潮氣混合形成結(jié)垢。建筑彩畫紋石刻及檐下雕刻部分保存較為完好，僅有部分輕度積灰，使用干毛刷清潔，避免積灰進(jìn)一步發(fā)展即可。

5.2 屋面角部及天花病害及修繕策略

光化亭的屋面上有微生物病害以及植物病害。去除屋面微生物及植物病害。屋面微生物苔蘚病害較為嚴(yán)重，可使用霧化噴淋技術(shù)清除苔蘚以防進(jìn)一步侵蝕。建筑天花彩畫紋雕刻部分總體紋樣精細(xì)且完好，損害有限，且未有進(jìn)一步發(fā)展趨勢，天花部分微生物病害可分析后處理，目前可暫時保留現(xiàn)狀[5]。建筑角部構(gòu)件生物損害與水漬病害嚴(yán)重，并且有進(jìn)一步擴(kuò)展趨勢，因此可使用霧化噴淋技術(shù)對于病害進(jìn)行清除。

5.3 建筑構(gòu)件連接處的病害及修繕策略

光化亭下屋面及角部有大量面狀微生物病害，屋面石構(gòu)件之間的灰縫有明顯水漬及部分裂解，灰縫清理。對于部分裂解，起皮的灰縫可在分析材質(zhì)后進(jìn)行重新填補(bǔ)。光化亭由于其純石構(gòu)仿木結(jié)構(gòu)，部分石構(gòu)件搭接連接處的灰縫不可避免地會產(chǎn)生滲漏、開裂等問題，尤其是屋面灰縫的損害會進(jìn)一步導(dǎo)致滲水，影響內(nèi)部梁枋和天花，可對于較為明顯和嚴(yán)重的部分進(jìn)行修復(fù)。

5.4 屋面其他部分的修繕策略

屋面病害由于視角關(guān)系處于游客瞻仰視線之外，可選擇在清理之后采用犧牲性保護(hù)措施阻止因清潔操作開放石材微孔后導(dǎo)致的進(jìn)一步損害[6]。

光化亭總體病害較為輕微，因而復(fù)原效果與現(xiàn)狀對比變化也會較小。建筑周邊植被可以進(jìn)行基本的修剪與清理，避免周邊植被落葉等有機(jī)物直接落在建筑屋面，為病害發(fā)生提供有機(jī)質(zhì)層。在建筑測繪的數(shù)據(jù)矢量化過程中，發(fā)現(xiàn)建筑幾何中軸線輕微偏斜（頂端最大處小于5cm），由于光化亭為石材構(gòu)件拼接而成，偏移輕微，無須對本體構(gòu)件進(jìn)行改動。

6 結(jié)語

由于建筑形式、高度、周邊環(huán)境等因素影響，對南京中山陵光化亭進(jìn)行傳統(tǒng)建筑測繪存在一定困難，尤其是重檐屋頂部分通過傳統(tǒng)建筑測繪方式完成數(shù)據(jù)收集有一定困難。借助無人機(jī)攝影測量技術(shù)，作者能夠在不接觸光化亭本體的情況下安全便捷準(zhǔn)確地采集光化亭建筑的全方位圖像信息，并以此建立點云及三維模型，事半功倍。光化亭測量的數(shù)字化表達(dá)成果對其病害現(xiàn)狀分析則提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與影像，為最后保護(hù)策略的提出提供了堅實基礎(chǔ)。

此次研究過程中采集建立的均為光化亭的外部圖像資料。隨著無人機(jī)可攜帶采集設(shè)備種類的增加，例如紅外成像儀的使用，在后續(xù)研究實踐中，還可以利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)，建立更加全面的建筑遺產(chǎn)物理信息模型。