基于無人機攝影測量的建筑遺產(chǎn)數(shù)字化及其保護策略研究

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 無人機攝影測量技術(shù)帶來的新方法

近年來，隨著無人機攝影測量設(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)保護的效率和質(zhì)量就尤顯重要[1]。對不同角度拍攝圖像進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。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，光化亭的保護與展示對弘揚中華文化，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策略。

3 基于無人機攝影測量技術(shù)的光化亭數(shù)字化表達

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攝影測量、地面攝影測量方式對光化亭進行了攝影測量，并對測繪成果進行了梳理。

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)部天花部分進行了全方位的攝影記錄。無人機攝影階段利用無人機拍攝點的高度優(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)與細節(jié)特征，經(jīng)過尺寸校對、色彩校對后達到了較好精度。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行矢量化之后進行了病害區(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，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，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重，可使用霧化噴淋技術(shù)清除苔蘚以防進一步侵蝕。建筑天花彩畫紋雕刻部分總體紋樣精細且完好，損害有限，且未有進一步發(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重，并且有進一步擴展趨勢，因此可使用霧化噴淋技術(shù)對于病害進行清除。

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)后進行重新填補。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重的部分進行修復(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措施阻止因清潔操作開放石材微孔后導(dǎo)致的進一步損害[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行基本的修剪與清理，避免周邊植被落葉等有機物直接落在建筑屋面，為病害發(fā)生提供有機質(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。