明長城墻體空間形態及微觀病害高精度測繪研究★

楊 杰，曹迎春

(1.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000； 2.張家口市建筑文化遺產保護與傳承數字技術重點實驗室，河北 張家口 075000)

1 概述

1.1 研究背景

明長城東起鴨綠江畔的寧虎山，西至嘉峪關，其中人工墻體的長達6 200多千米，其工程繁盛、氣勢雄偉，堪稱為世界奇跡，是中國最具代表性的超大型文化遺產。明長城遺跡以墻體為主要形態，包括夯土、磚砌、堆石等形式，其中夯土墻體占比最大[1]。夯土墻由黃土摻加碎磚石塊、石灰、樹枝等材料夯制而成，其密實度、結構強度及耐候性等都比磚、石類墻體低很多[2]。明朝滅亡之后，長城和其相關的防御設施逐漸衰敗，長期裸露在外的夯土墻體滋生出裂縫、空洞、植物侵蝕等大量病害[3](見圖1)。雖然目前殘存墻體依然屹立并緩慢衰退，但在多種微觀病害的長期作用下，遭受到嚴重破壞，保存狀況已經岌岌可危[4]。因此，急需全面的調查和系統性研究墻體微觀病害的整體發展狀態。

1.2 研究綜述

在過去的長城墻體病害研究工作中，有研究者探索了雨水[5]、區域[6]、氣候[7]等自然因素對夯土墻體的影響；也有研究者從材料特性[8]、病害類型[9]、病害形態[10]等方面入手研究，但都局限于小范圍長城區段的案例研究，對明長城系夯土墻體病害的整體狀況較少；2007年開始，中國政府對長城進行了一次最大規模的基礎調查，獲得了長城的基本狀況，但調查深度也僅限于地理分布，外觀拍照，平、立面繪圖等(見圖2)，并未涉及墻身病害類型、位置和面積等微觀細節。總體來說，雖然研究者對長城病害有眾多研究，但都局限于一定范圍之內，目前尚缺乏長城微觀病害的系統性調查成果。長城軍事防御體系微觀病害系統性調查和整體性研究缺失的根本原因，在于其超大體量背景下，墻體海量微觀病害信息調查和測繪的巨大困難。夯土墻體病害類型多樣、形態復雜、數量巨大，對周期長、成本高、效率低的傳統調查方式來說，如此巨大數據量的采集和處理工作是難以完成的。

近年來，科技進步極大提高了文化遺產的信息采集和處理能力。信息采集領域最顯著的進步便是無人機攝影測繪技術[11]。它以小型無人機搭載各種云臺相機，獲得高分辨率光學影像信息。相比于搭架子、手工測量繪制的傳統測繪方式，無人機攝影測繪技術可對文化遺產進行超近距離、非接觸式的無損測繪，可獲得文化遺產形態、材質、病害等信息的高精度影像。而無人機靈活機動、速度快、易于操作的優點，又可廣泛適應尺度巨大、形態復雜和可達性差的文化遺產測繪，以及耐受山區、溝谷、丘陵和荒漠等各種復雜野外環境。憑借測繪精度高、速度快、可達范圍廣等優勢，無人機攝影測繪技術在大尺度文化遺產的高精度測繪[12]、保護范圍劃定[13]、快速三維實景建模[14]以及保護監測領域[15]完成了傳統人力難以完成的任務，極大推進了文化遺產數字化保護工作的進程，是明長城這種超大型遺址測繪的不二之選。

1.3 研究目標

本研究采用無人機攝影測量技術，快速、高效采集明長城墻體的大量高清圖像，之后利用照片數據對該段長城進行三維重建，獲得明長城高精度三維空間模型及立面正射影像數據，為后續的長城軍事防御體系動態模擬、病害智能識別、虛擬漫游展示等多項工作提供基礎數據支持。

2 技術路線

2.1 設備信息

研究相關的圖像采集主要由大疆多旋翼無人機完成，涉及多款中、小型無人機，設備信息見表1。采集過程包括遺產形態分析、拍攝角度確定、航線規劃等多項內容，確保形成最佳工作方案，以提高拍攝速度、安全性及后期影像拼合和點云生成的質量。測繪難點主要涉及復雜地形掃描路徑規劃、植物遮擋條件的墻體圖像獲取、以及后期三維模型的高精度合成等。

表1 測繪無人機參數信息

2.2 明長城夯土墻體病害信息拍攝

長城綿延數千公里，橫向尺度極大，但是在豎向尺度上并不大，完整的長城墻體高度也不過數米，現在存留的墻體在遭受到破壞后高度變的更低。因此在測量時，要兼顧夯土墻體橫向極長豎向較短的特點，對無人機飛行方式進行合理規劃。

2.2.1 拍攝距離

為解決大體量長城墻體和微觀病害之間的矛盾，在夯土墻體的拍攝距離設置上，采用“遠中近分形法”拍攝方法(見圖3)，對墻體進行多層次的拍攝。遠景拍攝時，快速的大面積的對采樣的夯土墻體進行大輪廓數據采集，取景范圍包括夯土墻體和其周邊環境，以獲得該段夯土墻體的整體空間數據；中景拍攝時，取景范圍以夯土墻體主體為主，墻體充滿相機取景范圍即可，從而獲得中等距離的測量數據，該層次數據可顯示夯土墻體上的較大的病害信息，如貫通墻體的裂縫、較大面積的覆蓋植被或是一些直徑較大的空洞，但是對于一些尺度較小的病害，該距離層次無法反映出來；近景拍攝時，根據理論計算與實際測試得出，無人機距離墻體1.5 m～3 m之間為最佳。 這是夯土墻體病害數據獲取中至關重要的一步，拍攝距離越近照片的精度越高，該距離層次下，照片數據能清晰的反映出尺度較小的病害信息，提高數據精度。

“遠中近分形法”的拍攝方法在獲得不同尺度下的夯土墻體病害信息的同時，還提高了后期三維模型合成的準確率。遠中近三層數據，遠景照片把控全局，搭建出主體場景；中景照片針對墻體主體，合成出墻體的空間形態并反映出尺度較大的病害的基本信息，并可作為過渡信息連接遠景照片數據和近景照片數據；近景照片針對夯土墻體上的病害信息，精細的構建出墻體表面的細節。三種距離的拍攝數據層層遞進，完整的反映出了夯土墻體的病害信息。

2.2.2 重疊率與拍攝角度設置

在傾斜攝影測量中，重疊率一般分為航向重疊率和旁向重疊率，航向重疊率表示的是同一航線上前后相鄰的兩張航拍圖片的重疊率，旁向重疊率則是相鄰的兩條航線上的兩組航拍圖像的重疊率。為保證能夠獲得高精度的空三數據，航向重疊率和旁向重疊率均設置為70%。

長城墻體表面在受到破壞后，早已不復當年完整，變得凹凸不平，拍攝過程中，為保證能完整的獲得墻面的三維空間信息，需調整云臺相機俯仰角度，以獲得不同視角的圖像數據。在本研究中，根據墻面凹凸變化程度不同，相機俯仰角度設置在15°～30°之間，凹凸變化越大，相機俯仰角度越大。因此在復雜的測繪環境下，需要在相同的飛行路線上，進行水平、仰視和俯視三次數據采集，方可取得最佳拍攝效果。

2.2.3 航線規劃與高度控制

現存夯土墻體大部分都已經破敗不堪，表層土剝落，沉積在墻體下方形成堆積層，墻體頂端受風蝕雨淋的破壞而變成不規則的波浪形。且長城墻體的攝影測量主要是長城墻體立面的測量，不同于地形的測量方式，因此無人機的高度并不是保持不變的，而是在上下移動。近景測量時，為了減小儲存與后期計算的資源浪費，需在保證能獲得完整數據的情況下合理控制無人機飛行高度。

本研究中，在每一條豎直航線上，無人機最高高度與墻體高度一致，最低高度以長城墻體的底部為界限，以重疊率需要確定高度間隔，在豎直航線上形成多個間隔相同的拍攝點位以進行定點定航線拍攝。為了不被墻體頂端凹凸不平的形狀影響，主航線采用上下移動的拍攝方式，拍攝時從采樣區域一端開始，無人機自上而下飛行或自下而上飛行皆可，拍攝完一條豎直航線后按照重疊度要求向旁側平移一定距離繼續豎直飛行，直至拍攝完全部采樣區域(見圖4)。

2.2.4 特殊環境處理

在夯土墻體的拍攝過程中，受長城墻體體積的影響，在遠景與中景的拍攝過程中，無人機距離長城墻體相對較遠，受地表環境影響較小，所以測繪時無人機靈活性高，極少遇到復雜難以拍攝的問題。但是在近景測量時，無人機距離長城墻體較近，且飛行高度相對較低，此時便會出現樹木或構筑物等障礙物阻礙無人機按照固定航線飛行的情況。針對此類情況，可以適當調整無人機位置，若障礙物與墻體間有足夠距離，可使無人機向前靠近墻體，飛行到障礙物與墻體之間進行拍攝。此時因為相機與墻體的距離拉近，取景范圍相對之前變小。為保證重疊度能滿足需求，可將相機左右搖頭進行拍攝，在同一拍攝點位，照片數量由原來的垂直墻體的一張變為傾斜于墻體的水平兩張或多張，同時在豎向航線的拍攝上縮小間隔距離、增加拍攝點位以滿足重疊度需求。除此之外，躲避障礙物時還可以保持無人機到墻體的距離不變，將原本在障礙物上的航線分散到障礙物兩側，由一條航線變成兩條航線，從而起到繞開障礙物的作用(見圖5)。

近景拍攝時，夯土墻體本身的某些病害會在拍攝時對墻體表面造成遮擋，尤其是墻體上灌木和一些草本植物。這些植物生長在夯土墻體之上，扎根于墻體之中，植物桿徑露在外面，在一定程度上遮擋到了部分墻體表面。常規的拍攝方式在拍攝此類區域時，無法拍攝到被植物遮擋到的墻體表面的數據信息。因此針對此種情況，需將無人機靠近墻體，在植物兩側較近的位置，繞過植物對遮擋部位進行傾斜拍攝，此時相機與墻體的傾斜角度可根據現場情況進行適當調整，拍攝得越詳細越好，以便獲得最多的夯土墻體病害數據信息。

3 三維模型重建

本研究中，三維模型重建使用的軟件為Reality Capture，它可以從無序照片(地面和/或空中)或沒有接縫的激光掃描中創建3D模型。經實際檢驗，本軟件相比于Context Capture等常見的三維建模軟件有速度快、精度高，色彩還原度高等優點。同時本軟件對于多數據源具有更大的適配性，能較好的兼容無人機、單反、手機等不同來源的照片數據，對于三維場景的快速建模有較大優勢。

經軟件處理后，得夯土墻體采樣位置的真彩色三維模型，產出墻體正立面投影,截取其中一段展示，如圖6所示。

4 結果

選取100 m長城墻體作為采樣區域，分別對其進行無人機和人工測量，結果顯示，無人機測量獲得墻體正立面圖像所用總時間為12 h 26 min，圖像精度在2 mm之內，且色彩還原度高。人工測量總用時34 h 8 min，成果為黑白線稿圖像，無墻體真實顏色，圖像精度小于5 cm，且為短時間工作值。如果大量性長時間測繪，隨著體力下降，人工測繪誤差將顯著增加。此外，以人工消耗考察，無人機測量單人即可完成所有操作，人工測量則需要三人協同操作才能完成，無人機將節省大量人力。

5 結論與展望

無人機低空攝影測量彌補了衛星遙感和人工測繪在微觀病害測繪精度方面的不足。無論是在時間、人力還是精度上都要比傳統測量具有優勢，尤其是處理后的長城墻體正立面影像，更是人工測量完全無法實現的。研究成果對后期長城軍事防御體系動態模擬、病害智能識別、虛擬漫游展示等多項工作具有重要的價值。