歷史保護建筑非接觸式外立面勘察及模型快速重構

歸豪域

上海市建筑裝飾工程集團有限公司 上海 200072

1 背景概況

歷史保護建筑是城鄉文脈及其歷史連續性的見證，具有不可再生的歷史、文化、科學和藝術價值。在我國城市化進程不斷推進的背景下，對歷史保護建筑的修復修繕符合新時代城市化的發展需求，以用促保，可以在賦予歷史保護建筑當代功能、發揮歷史保護建筑使用價值的同時，使歷史保護建筑與城市發展和城區生活有機融合。

由于歷史保護建筑分布分散、監管困難、災后復建困難、原始信息不可追溯等原因，傳統工程修繕方法受到嚴峻挑戰，必須進行更深入透徹的研究以尋找解決對策。隨著信息技術的迅速發展，目前國內數字化技術在歷史保護建筑修繕項目中的應用包括項目實施前期策劃、勘察檢測、修繕設計、修繕施工等多個階段，隨著數字化技術的深入發展，政府和企業也已認識到信息模型和信息數據庫是未來歷史保護建筑實現智能工程管理與智慧運維管理的基礎[1-4]。本文重點針對基于數字化的歷史保護建筑非接觸式外立面勘察及模型快速重構關鍵技術開展研究。

2 外立面勘察作業重難點分析

2.1 傳統勘察手段受限多、工期長

在工程前期現場勘察及測量作業中，如采用傳統人工測量及拍攝記錄方式，則需先行搭設勘察腳手架，作業工期長，人力、材料、工期成本巨大且效率低，勘察期間影響建筑本身的正常運營，對業主單位也將造成經濟損失。

2.2 歷史保護建筑安全性要求高

歷史保護建筑大多位于市中心核心區域，人流量較大，對整個項目的施工措施安全性要求更為嚴格，其腳手架為危險性較大的分部分項工程，腳手架搭設方案的制定需要對建筑物進行全面精準的實測實量，傳統測量技術無法快速實現。

2.3 建筑外立面情況復雜，傳統方式測繪不全面

歷史保護建筑外立面情況復雜，涉及飾面眾多，構件眾多，涉及損害形式眾多（臟污、龜裂、空鼓、色差、銹蝕），損壞程度也各不相同。傳統影像記錄無法實現多角度、遠近搭配的復雜拍攝要求。

3 基于無人機數字化測量技術的非接觸式外立面勘察

由于許多歷史保護建筑始建年代久遠，修繕工程中存在原設計圖紙丟失、損壞等情況，需在改造前期進行重新勘察測繪，以確保修繕工作的順利進行。傳統測量方式需在建筑外部搭設腳手架之后進行人工測量，存在施工周期長，勘測效率低下，人員投入量大，操作技術要求高、數據成果單一等諸多不足之處，只可記錄單點數據，容易出錯和漏測，因數據采集不全面而導致返工情況時有發生。

3.1 數字化測量技術的優勢

1）實現無腳手架查勘和非接觸式測量。對于處于運營狀態的歷史保護建筑修繕工程，施工方往往無法通過應用傳統測量方法進場展開工作，而無人機作為一種新興技術不僅可以非接觸式進行整體建筑群的查勘，不必和量測對象接觸，還可以將現場查勘部分工作提前，不占用施工周期，實現不搭設腳手架進行查勘工作。

2）人工成本低。無人機技術的查勘作業僅需1～2人，經數小時數據采集即可完成，相較傳統搭建腳手架方案，能夠大幅減少人工成本和測量難度。

3）測量精度高。不同于傳統測繪技術需要大規模的人工實地測量，無人機攝影測量在曝光瞬間就能快速、精確地記錄大量信息。應用無人機傾斜攝影模型，1∶1還原現場實際情況，生成包含真實尺寸信息的三維實景模型，便于項目技術人員進行測量，精準度高，誤差小，并且可以替代人工進行高空勘察作業。

4）測量信息豐富。無人機攝影不但包含坐標和尺寸信息，也可提供材質、顏色、裂縫和破壞情況等方面信息。

3.2 設備選型

在建筑裝飾外墻施工前的勘察階段，一般選用多旋翼無人機進行航拍及測繪工作。多旋翼無人機具有操控性強、可垂直起降和懸停等特點，由傳感器、導航系統、控制系統、動力系統、故障診斷系統、決策及規劃系統組成，適用于低空、低速、有垂直起降和懸停要求的任務。

在建筑外墻勘測的設備選型中，應根據不同的作業需求，選擇合適的無人機型號。拍攝小型建筑的相片及視頻影像作為資料留檔時，可選擇大疆“御”系列無人機，其具有體積小巧不占空間，機身可折疊便于攜帶等優勢，深受外勤工作者喜愛。如需對大型建筑進行航拍影像采集，工作量較大時，可選擇大疆“精靈”系列無人機，其續航能力強，抗風性能好，可定焦、對焦。對于精度要求較高或需進行傾斜攝影作業時，則建議選用大疆“悟”系列或“經緯”系列無人機，其可搭載單反級別高精度鏡頭，支持雙控，可提供無損DNG格式圖片視頻，畫質極佳，適合高精度的成果輸出。

在無人機航攝作業時，可選擇手動單點拍攝方式進行細節照片專項拍攝、局部外立面詳勘，手動環繞拍攝方式進行傾斜攝影，手動飛行拍攝方式進行影像資料記錄，定點自動全景方式進行720°全景攝影，自動環繞拍攝方式進行外立面詳勘，自動軌跡拍攝方式進行全數外立面詳勘。

3.3 基于無人機航拍影像的非接觸式外立面查勘

以上海某歷史保護項目外立面保護修繕工程為例，經無人機勘察，發現其鋼塔區域紫銅基層銹蝕，塔身表面污染；金飾面層變黑。外立面水刷石經無人機勘察，發現其外墻、檐口、窗臺等部位的米黃色水刷石主要存在臟污、龜裂、裂縫、色差等問題。外立面鋼窗經無人機勘察發現鋼制門窗多處出現脫漆、銹蝕的情況，局部存在窗洞被封堵，玻璃缺失、五金件缺失。

3.4 基于720°全景交互影像的專項方案策劃及工程量統計

在歷史保護建筑六面體查勘中采用720°全景技術，對搭載高清攝像頭的無人機設定固定航線和固定飛行距離，將拍攝到的影像實時傳輸到計算機中進行影像優化及拼接處理，通過全景播放器的矯正處理，使以某種幾何關系進行映射生成的平面圖片成為三維立體可旋轉的全方位實景圖像，可以在最大限度保留場景真實性的前提下，給人以水平方向（經度）360°和垂直方向（緯度）360°環視的效果，避免傳統航空攝影測量中面與面交界處可能出現的遺漏測量、重復測量等問題，更好地展示項目信息以及周邊環境信息。

針對歷史保護建筑外立面修繕工程特點，提前策劃應用720°全景攝影的無人機飛行路線、拍攝距離、拍攝方式和拍攝數量，根據現場實際工況，于航攝作業開始前，對飛行路徑進行最優規劃，定點進行全景拍攝，如圖1所示。以5～10 m的拍攝距離，采用自動全景＋手動近距離拍攝相結合的方式，每處拍攝1～4張，并保證相鄰照片有不少于1/3的重疊度，使得測量圖像滿足測量目標要求。將制作完成的全景圖片上傳到云端，方便管理人員隨時隨地查看工程現狀。同時根據現場工況設置特寫點，并在得到的720°全景模型相應位置增加按鈕輸入信息，實現全景模型的及時更新完善。

圖1 應用于720°全景拍攝的無人機飛行路線優化設定

通過720°全景技術在上海某歷史保護建筑修繕工程外立面勘測階段的應用，共拍攝遠景及近景特寫照片數量達到1 000余張，以此為基礎，形成建筑外立面720°全景圖1套，如圖2所示，可分別使用普通模式和VR模式觀看，如圖3所示。其外立面圖像信息具有完整性和連貫性。于網頁端對720°全景影像進行輕量化展示，根據需要設置按鈕，可以實現不同角度的場景切換、重點部位的細節放大、文字信息的輸入顯示等功能，從而實現720°全景可視化及交互需求。模型基于網絡平臺進行文件交互，對終端適應性強；輕量化的可采用瓦片式加載模式的外立面模型也可減少數據存儲壓力。

圖2 720°全景影像

圖3 VR模式全景圖

基于720°全景拍攝影像成果，結合遠近景特寫照片，可確定修繕位置、修繕內容，進而用于制定外立面修繕方案。結合修繕設計文本為項目量身定制各類修繕專項方案。以720°全景圖所提供的定位信息和近景照片提供的清晰的材質紋理及色彩信息為依據，為后續小樣確認及現場施工樣板選址提供依據。

3.5 大體量歷史保護建筑外立面模型快速重構技術

采用小型多旋翼無人機航拍設備對建筑外立面進行環繞手動拍攝，對航拍影像進行多視影像預處理后，在區域網聯合平差基礎上進行多視影像密集匹配，從而生成高密度三維點云，基于點云構建三角格網，進行紋理映射，最終生成包含真實幾何尺寸及坐標信息的三維傾斜攝影模型，實現復雜建筑立面大范圍、高精度、高清晰的全面感知。傾斜模型可應用于建筑外輪廓查看、測距、相對標高測定。輕量化的模型方便在查勘現場或施工現場通過輕量移動設備隨時查看，實現歷史保護建筑外立面查勘過程的可模擬、可閱讀、可編輯、可測量、可計算和可交互。在傾斜攝影模型的基礎上建立腳手架三維模型，可作為后續腳手架搭設的依據。

外立面模型快速重構和輕量化模型交互技術成果可為外立面劣化情況提取分析、修繕專項技術方案的編制及落地提供依據。

4 歷史保護建筑修繕施工全過程信息化數據庫

4.1 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數據庫

通過無人機航拍照片完成現場勘察，將劣化情況整理為劣化情況米字格劃分圖，建立了可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數據庫，如圖4所示。

圖4 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數據庫

通過施工過程中應用外立面劣化情況數據庫，可以指導技術交底、施工交底，讓施工員及工人對修繕工作有具象化的認識。同時其可提供工作量信息，對現場勞動力的安排及編排施工計劃具有重大參考意義。

在運維過程中應用外立面劣化情況數據庫，依靠其圖像信息可直觀對比施工前后的修繕效果，可向業主及監理展示工作成果。對內可供計算勞務分包工作量，對外可作為項目結算依據。

4.2 可具象化的歷史保護建筑外立面信息模型數據庫

結合項目原始藍圖及無人機航拍傾斜攝影模型，建立歷史保護建筑外立面信息模型數據庫。技術人員對建筑情況和尺寸數據就能有更為具象化的了解，也有利于后續腳手架設計及搭建方案編制。而對于由大量異形構件組成的構筑物，可基于建筑外立面信息模型數據庫對其進行模型分析、構件拆分、編號整理、分類匯總。

在運維過程中應用建筑外立面信息模型數據庫，基于記錄的構件信息，有構件發生意外損壞需更換時，場館運維人員調出相應構件信息即可完成構件的重新下單加工，大幅減少重復開展現場勘察、測量等作業的人力物力。

5 結語

通過研究數字化技術在大型歷史保護建筑場館外立面不停業保護性修繕中的應用，整體形成歷史保護建筑外立面保護修繕關鍵技術解決方案，為今后大量同類工程的順利實施和提質增效提供一定的借鑒和示范作用，對進一步完善上海市乃至全國歷史保護建筑修繕技術，促進歷史保護建筑活化利用具有重大意義。通過對歷史保護建筑修繕施工全過程建立修繕信息數據庫，也可為未來歷史保護建筑實現智能工程管理與智慧運維管理提供數據信息基礎。