貼近傾斜攝影測量在古建筑病害調查中的應用★

馬義超

(江蘇航空職業技術學院,江蘇 鎮江 212134)

0 引言

國家文物保護法明確規定,對文物保護應當實行預防性保護、常態性保護和應急性保護相結合的保護原則。因此,古建筑病害調查是常態性保護中的重要環節,對古建筑進行病害調查是保護和維護這些具有歷史、文化和藝術價值的建筑遺產。通過調查古建筑的病害情況,可以及時發現和診斷建筑物存在的問題,如裂縫、腐朽、結構松動等,進而采取相應的修復和保護措施,延長其使用壽命,確保其安全穩定。目前傳統的古建筑病害調查方法主要包括目視觀察、手工測量、試驗分析等,傳統的古建筑病害調查方法存在調查效率低下、數據精度不高、無法全面反映病害情況、無法實時監測和安全風險高等弊端。因此,需要采用新的技術手段,提高古建筑病害調查的效率和精度[1]。

近年來,傾斜攝影測量技術成為古建筑病害調查的重要手段,該技術具有高效快速、全面準確、高精度數據、實時監測和安全便捷等優勢,能為古建筑保護和修復古建筑提供科學的依據。但是常規攝影測量缺乏地形自適應的攝影航線規劃,拍攝的影像分辨率差異大,造成影像所構建的三維模型精度不夠高,不能滿足日益精細化的三維建模需求。貼近攝影測量主要是基于無人機云臺及其高精度定位為技術支撐,利用無人機良好的姿勢控制能力使拍攝設備近距離地(2 m～30 m)對物體表面進行數據采集。該技術以物體的“面”為對象,對古建筑物任意細節進行多角度拍攝。對于無人機無法到達的區域則進行手控和手持無人機補拍,獲取采集高清(亞厘米級甚至毫米級)影像,準確反映古建筑的結構和細部情況,輔助專業技術人員及時發現和處理病害問題,為古建筑的保護和修復提供科學依據[2]。

1 整體技術流程分析

如圖1所示,貼近攝影測量古建筑外業影像數據采集通常分為“粗”采集和“細”采集兩個階段。“粗”采集階段主要采用小型無人機獲取古建筑的整體外觀和基本結構信息,包括建筑物的立面、屋頂、構造等。在此階段,需要確定采集區域、飛行高度、航向等參數,并進行航拍任務規劃和航線設計。通過航拍獲取的影像數據,可以進行圖像處理和三維重建,生成古建筑的初步三維模型和點云數據。“細”采集主要手持數碼相機等,針對古建筑的細節部分進行更為精細的采集,包括建筑物的門窗、雕刻、裝飾等[3]。

數據后期處理主要是將“粗”采集和“細”采集的數據融合進行建模,并對生產的實景三維模型進行精修處理,最后進行衍生數據生產。

2 項目應用

2.1 項目概況

實驗測區位于山西省晉中市平遙古城內,古城建于公元827年,距今已有1 200多年的歷史。古城內保留了大量的明清時期的建筑,包括府邸、宗祠、商鋪、民居等,展示了中國古代城市規劃和建筑藝術的獨特魅力。實驗測區面積約1 000 m2,主要以街道、巷道以及民居住宅為主,測區內既有城墻、城門、角樓等防御設施,又有木雕、磚雕和石雕等精美裝飾,是中國傳統建筑藝術的重要代表,具有典型參考價值。

2.2 外業影像數據采集

古建筑影像“粗”采集主要應用的是大疆精靈4 RTK旋翼無人機,首先,對建筑及其周圍環境進行實地勘察并規劃無人機的航線。根據古建筑的大小和復雜程度,確定無人機的起飛點和航線,按照預先設定的航線進行飛行,并利用搭載的相機或攝像機進行拍攝。然后手控操作執行飛行拍攝任務,獲取建筑及其周圍約50 m內較低分辨率影像,作為后續低精度原始數據的準備,主要以垂直向下和水平垂直兩種采集方式為主,如圖2所示。

“細”采集主要手持補拍設備搭載云平臺,本次實驗主要是“細”采集,主要應用的是佳能單反相機,以確保設備的畫質和拍攝能力足夠好。同時,可以根據建筑的結構和特點,選擇合適的拍攝點和角度,以捕捉建筑的每個細節和特征。在拍攝時,需要手持補拍設備,走到規劃好的拍攝點,進行拍攝。可以采用不同的拍攝角度和曝光參數,以獲取更多的細節信息。在拍攝完成后,使用PAD對拍攝的圖像進行標注和注釋,以便后續的數據處理和建模[4]。

2.3 實景三維建模

實景三維建模應用的是Context Capture軟件,由于“粗”“細”采集分別使用不同相機采集影像數據,需要考慮“粗”采集和“細”采集數據之間的誤差與差異,以保證融合后的數據精度和一致性。因此在進行實景三維建模前首先要對不同源數據進行圖像預處理,包括去除畸變、調整圖像的亮度、對比度和顏色平衡等操作,以保證不同源采集的影像色彩飽和度、亮度等基本一致。再使用Context Capture軟件進行圖像間匹配,使用雙視差算法或立體匹配算法將圖像轉換為稠密點云;最后進行三角網擬合和紋理映射,創建具有真實感和細節的三維模型,并對生成的三維模型進行優化,以去除不需要的雜質點、平滑表面、填補缺失的數據等操作,以提高模型的質量。測區構建實景三維模型如圖3所示。

2.4 病害統計

此次共對測區68棟古建筑進行調查分析,目前病害類型主要有木雕、壁畫等裂口、脫漆,占總面積的35.5%;其次是建筑物霉變和粉化,主要發生在古建筑朝陰處墻面,共發現18處;此外部分石雕文物由于戶外時間長,經歷風吹雨打嚴重也存在一定風化和沙化問題,共統計問題石雕28座,占總石雕數量的19.1%;最后古建筑磚雕(影壁)也存在一定分離剝落問題,裂隙和空鼓病害嚴重,影壁保存情況不容樂觀,急需制定相應保護方案。這幾種常見病害類型及對應位置實景三維模型如圖4—圖7所示。

3 病害原因分析及修繕

平遙古城有著悠久的歷史文化價值和獨特的建筑風貌。要進行維護修葺就要對病害機理進行分析,究其原因,在不改變整體風貌的前提下進行修繕。通過查閱資料,就平遙古城現狀病害原因進行分析,并提出相關修繕意見[5]。

3.1 材料老化及修復

古建筑使用的建筑材料多為天然材料,經過長時間的風吹日曬、雨淋雪融,會逐漸老化和破損。例如,石材出現剝落和開裂、土墻受水侵蝕等。經文物管理技術人員梳理,測區共發現殘損木構件70余件,對不影響結構安全的構件以修補加固為主。如圖4所示,為測區某木雕部分受到蟲蛀和腐朽的侵害,此外彩繪的顏色發生明顯褪色、變色和脫落等問題,對局部程度較輕的破損區域進行剜補修復,對于斷裂和裂縫采用支頂加固法進行修補,在裂縫處采用環氧樹脂修復或使用螺栓加固。后期對整個古城古建筑裝飾進行保護和修復時,需重點修復建筑的彩繪、雕刻、壁畫等裝飾元素,保護其原有的藝術價值和歷史風貌。對于門框、窗戶等的維修需要慎重處理,盡量做到不換或少換,可以將傳統技藝與現代技藝結合,如竹木漆脫水,采用自然干燥法或者高分子材料滲透聚合法等進行修復。

3.2 霉變作用及修復

經實景三維模型觀察后發現,測區磚墻表面泛堿問題普遍,測區幾乎墻角位置都出現不同程度霉變、粉化問題。如圖5所示為其中某一處墻體出現的霉變、泛堿等問題。后進行針對性分析發現,主要原因是古代建筑城墻的材料中含有較高的鹽分,如石灰、石膏等,這些材料對濕度非常敏感。如果城墻周圍環境濕度較高,或者城墻自身存在滲漏問題,濕氣會滲入墻體內部,導致墻體潮濕,當墻體潮濕時,鹽分會溶解在濕氣中,隨著濕氣的蒸發,鹽分會沉積在墻體表面,形成白色的泛堿現象,從而滋生霉菌,進而引起霉變。

針對圖5等常見磚墻霉變、泛堿等問題,后期可以對含有高鹽含量的城墻材料進行鹽分處理,如用淡水沖洗墻體表面,將溶解在墻體內部的鹽分沖洗掉,減少泛堿現象的發生。還需定期檢查城墻的濕度情況,及時清除墻體表面的濕氣和霉菌,保持墻體干燥,并對城墻進行防水處理,修復墻體滲漏問題。此外,由于桐油具有干燥快、防潮好、防水性強等特點,可起到膠結磚灰的作用,可對涂刷桐油的青磚墻面,在修繕完成的古建筑的青磚墻面或園墻上刷熟桐油3遍,以增強青磚墻的防潮、防水、抗風化能力。

3.3 風化、沙化及修復

經實景三維模型勘察后發現,測區石雕風化問題也較為普遍,經調查統計共發現石雕風化、沙化問題共計13處。如圖6所示為一沙化的石獅,腿部出現明顯沙化現象。分析后認為,石獅長期暴露在風吹雨打、日曬雨淋的環境中,容易受到氧化、紫外線、酸雨等天氣因素的影響,導致石雕表面脫落、龜裂、剝落等現象。此外,一些生物如藻類、菌類等會在石雕表面生長,長期侵蝕石雕表面,導致石雕表面產生風化和沙化問題。

對圖6石獅修繕時,首先需要對石獅表面進行清洗,清除石雕表面的污垢和沙塵,清洗時要注意不損傷石雕表面,可以使用低壓噴水或化學清洗劑等方法。然后對石獅表面的龜裂、剝落等缺陷進行修補。修補時要選擇與原材料相同的材料,采用合適的技術進行修補,以保證修復效果和持久性。最后對修復后的石獅進行防護處理,如涂刷防水涂料、石蠟等,以保護石雕表面不受自然環境和污染的影響,修復過程中要注意與原有石雕的顏色、紋理和質感相協調,使修繕后的部分與原始石雕融為一體。

3.4 失修、人為損壞及修復

平遙古城由于參觀人流量較大,人為因素也是導致古建筑病害的重要原因之一。部分石構件受外力過大且外力不均勻(如撞擊、墜落、踩踏等)導致局部可能出現松動、裂縫等問題,修繕時首先將損壞之處圈出研究是否為承重結構,對表層進行適當修復;如是承重結構,一定在盡量維持原貌的基礎上進行加固,防止留有坍塌的危險隱患。如圖7所示為測區內某處影壁出現的裂縫問題,在確定為非承重結構后,先清理影壁裂縫周圍的雜物,確保表面干凈,然后將填縫材料均勻地填入裂縫中,并使用刮刀或抹刀將其平整;再使用加固材料來增強修復效果;最后使用砂紙或砂輪將修復區域的表面平整,使其與周圍的墻面相匹配,并選擇合適的顏料進行涂刷,使修復區域與周圍的影壁無明顯差異。

此外,古城管理部門可以通過加固基礎、增加支撐結構、補強梁柱等方式,提升古建筑的結構穩定性和抗震能力。并建立完善的管理機制、制定規范的使用規定,加強對古建筑的日常維護和保養工作,及時發現和處理病害問題。此外,加強對古建筑的宣傳和教育,提高公眾的保護意識,也是古建筑保護的重要方面。

4 結語

綜上所述,貼近傾斜攝影測量技術為文保部門提供了一種高效、精確的方法,輔助技術人員全面掌握古建筑物的狀況,及時發現和制定合理的修復方案。同時,通過對歷史數據和監測數據的對比分析,可以追蹤病害的發展趨勢,及時采取措施進行修復和保護,延長古建筑物的壽命。