貼近傾斜攝影測(cè)量在古建筑病害調(diào)查中的應(yīng)用★

馬義超

(江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134)

0 引言

國(guó)家文物保護(hù)法明確規(guī)定,對(duì)文物保護(hù)應(yīng)當(dāng)實(shí)行預(yù)防性保護(hù)、常態(tài)性保護(hù)和應(yīng)急性保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)原則。因此,古建筑病害調(diào)查是常態(tài)性保護(hù)中的重要環(huán)節(jié),對(duì)古建筑進(jìn)行病害調(diào)查是保護(hù)和維護(hù)這些具有歷史、文化和藝術(shù)價(jià)值的建筑遺產(chǎn)。通過調(diào)查古建筑的病害情況,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷建筑物存在的問題,如裂縫、腐朽、結(jié)構(gòu)松動(dòng)等,進(jìn)而采取相應(yīng)的修復(fù)和保護(hù)措施,延長(zhǎng)其使用壽命,確保其安全穩(wěn)定。目前傳統(tǒng)的古建筑病害調(diào)查方法主要包括目視觀察、手工測(cè)量、試驗(yàn)分析等,傳統(tǒng)的古建筑病害調(diào)查方法存在調(diào)查效率低下、數(shù)據(jù)精度不高、無法全面反映病害情況、無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全風(fēng)險(xiǎn)高等弊端。因此,需要采用新的技術(shù)手段,提高古建筑病害調(diào)查的效率和精度[1]。

近年來,傾斜攝影測(cè)量技術(shù)成為古建筑病害調(diào)查的重要手段,該技術(shù)具有高效快速、全面準(zhǔn)確、高精度數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全便捷等優(yōu)勢(shì),能為古建筑保護(hù)和修復(fù)古建筑提供科學(xué)的依據(jù)。但是常規(guī)攝影測(cè)量缺乏地形自適應(yīng)的攝影航線規(guī)劃,拍攝的影像分辨率差異大,造成影像所構(gòu)建的三維模型精度不夠高,不能滿足日益精細(xì)化的三維建模需求。貼近攝影測(cè)量主要是基于無人機(jī)云臺(tái)及其高精度定位為技術(shù)支撐,利用無人機(jī)良好的姿勢(shì)控制能力使拍攝設(shè)備近距離地(2 m～30 m)對(duì)物體表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該技術(shù)以物體的“面”為對(duì)象,對(duì)古建筑物任意細(xì)節(jié)進(jìn)行多角度拍攝。對(duì)于無人機(jī)無法到達(dá)的區(qū)域則進(jìn)行手控和手持無人機(jī)補(bǔ)拍,獲取采集高清(亞厘米級(jí)甚至毫米級(jí))影像,準(zhǔn)確反映古建筑的結(jié)構(gòu)和細(xì)部情況,輔助專業(yè)技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理病害問題,為古建筑的保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)[2]。

1 整體技術(shù)流程分析

如圖1所示,貼近攝影測(cè)量古建筑外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集通常分為“粗”采集和“細(xì)”采集兩個(gè)階段。“粗”采集階段主要采用小型無人機(jī)獲取古建筑的整體外觀和基本結(jié)構(gòu)信息,包括建筑物的立面、屋頂、構(gòu)造等。在此階段,需要確定采集區(qū)域、飛行高度、航向等參數(shù),并進(jìn)行航拍任務(wù)規(guī)劃和航線設(shè)計(jì)。通過航拍獲取的影像數(shù)據(jù),可以進(jìn)行圖像處理和三維重建,生成古建筑的初步三維模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。“細(xì)”采集主要手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)等,針對(duì)古建筑的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行更為精細(xì)的采集,包括建筑物的門窗、雕刻、裝飾等[3]。

數(shù)據(jù)后期處理主要是將“粗”采集和“細(xì)”采集的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行建模,并對(duì)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型進(jìn)行精修處理,最后進(jìn)行衍生數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位于山西省晉中市平遙古城內(nèi),古城建于公元827年,距今已有1 200多年的歷史。古城內(nèi)保留了大量的明清時(shí)期的建筑,包括府邸、宗祠、商鋪、民居等,展示了中國(guó)古代城市規(guī)劃和建筑藝術(shù)的獨(dú)特魅力。實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)面積約1 000 m2,主要以街道、巷道以及民居住宅為主,測(cè)區(qū)內(nèi)既有城墻、城門、角樓等防御設(shè)施,又有木雕、磚雕和石雕等精美裝飾,是中國(guó)傳統(tǒng)建筑藝術(shù)的重要代表,具有典型參考價(jià)值。

2.2 外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

古建筑影像“粗”采集主要應(yīng)用的是大疆精靈4 RTK旋翼無人機(jī),首先,對(duì)建筑及其周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)地勘察并規(guī)劃無人機(jī)的航線。根據(jù)古建筑的大小和復(fù)雜程度,確定無人機(jī)的起飛點(diǎn)和航線,按照預(yù)先設(shè)定的航線進(jìn)行飛行,并利用搭載的相機(jī)或攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。然后手控操作執(zhí)行飛行拍攝任務(wù),獲取建筑及其周圍約50 m內(nèi)較低分辨率影像,作為后續(xù)低精度原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(xì)”采集主要手持補(bǔ)拍設(shè)備搭載云平臺(tái),本次實(shí)驗(yàn)主要是“細(xì)”采集,主要應(yīng)用的是佳能單反相機(jī),以確保設(shè)備的畫質(zhì)和拍攝能力足夠好。同時(shí),可以根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),選擇合適的拍攝點(diǎn)和角度,以捕捉建筑的每個(gè)細(xì)節(jié)和特征。在拍攝時(shí),需要手持補(bǔ)拍設(shè)備,走到規(guī)劃好的拍攝點(diǎn),進(jìn)行拍攝。可以采用不同的拍攝角度和曝光參數(shù),以獲取更多的細(xì)節(jié)信息。在拍攝完成后,使用PAD對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行標(biāo)注和注釋,以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和建模[4]。

2.3 實(shí)景三維建模

實(shí)景三維建模應(yīng)用的是Context Capture軟件,由于“粗”“細(xì)”采集分別使用不同相機(jī)采集影像數(shù)據(jù),需要考慮“粗”采集和“細(xì)”采集數(shù)據(jù)之間的誤差與差異,以保證融合后的數(shù)據(jù)精度和一致性。因此在進(jìn)行實(shí)景三維建模前首先要對(duì)不同源數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理,包括去除畸變、調(diào)整圖像的亮度、對(duì)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(jìn)行圖像間匹配,使用雙視差算法或立體匹配算法將圖像轉(zhuǎn)換為稠密點(diǎn)云;最后進(jìn)行三角網(wǎng)擬合和紋理映射,創(chuàng)建具有真實(shí)感和細(xì)節(jié)的三維模型,并對(duì)生成的三維模型進(jìn)行優(yōu)化,以去除不需要的雜質(zhì)點(diǎn)、平滑表面、填補(bǔ)缺失的數(shù)據(jù)等操作,以提高模型的質(zhì)量。測(cè)區(qū)構(gòu)建實(shí)景三維模型如圖3所示。

2.4 病害統(tǒng)計(jì)

此次共對(duì)測(cè)區(qū)68棟古建筑進(jìn)行調(diào)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(fā)生在古建筑朝陰處墻面,共發(fā)現(xiàn)18處;此外部分石雕文物由于戶外時(shí)間長(zhǎng),經(jīng)歷風(fēng)吹雨打嚴(yán)重也存在一定風(fēng)化和沙化問題,共統(tǒng)計(jì)問題石雕28座,占總石雕數(shù)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(yán)重,影壁保存情況不容樂觀,急需制定相應(yīng)保護(hù)方案。這幾種常見病害類型及對(duì)應(yīng)位置實(shí)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(jià)值和獨(dú)特的建筑風(fēng)貌。要進(jìn)行維護(hù)修葺就要對(duì)病害機(jī)理進(jìn)行分析,究其原因,在不改變整體風(fēng)貌的前提下進(jìn)行修繕。通過查閱資料,就平遙古城現(xiàn)狀病害原因進(jìn)行分析,并提出相關(guān)修繕意見[5]。

3.1 材料老化及修復(fù)

古建筑使用的建筑材料多為天然材料,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)吹日曬、雨淋雪融,會(huì)逐漸老化和破損。例如,石材出現(xiàn)剝落和開裂、土墻受水侵蝕等。經(jīng)文物管理技術(shù)人員梳理,測(cè)區(qū)共發(fā)現(xiàn)殘損木構(gòu)件70余件,對(duì)不影響結(jié)構(gòu)安全的構(gòu)件以修補(bǔ)加固為主。如圖4所示,為測(cè)區(qū)某木雕部分受到蟲蛀和腐朽的侵害,此外彩繪的顏色發(fā)生明顯褪色、變色和脫落等問題,對(duì)局部程度較輕的破損區(qū)域進(jìn)行剜補(bǔ)修復(fù),對(duì)于斷裂和裂縫采用支頂加固法進(jìn)行修補(bǔ),在裂縫處采用環(huán)氧樹脂修復(fù)或使用螺栓加固。后期對(duì)整個(gè)古城古建筑裝飾進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)時(shí),需重點(diǎn)修復(fù)建筑的彩繪、雕刻、壁畫等裝飾元素,保護(hù)其原有的藝術(shù)價(jià)值和歷史風(fēng)貌。對(duì)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(tǒng)技藝與現(xiàn)代技藝結(jié)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(jìn)行修復(fù)。

3.2 霉變作用及修復(fù)

經(jīng)實(shí)景三維模型觀察后發(fā)現(xiàn),測(cè)區(qū)磚墻表面泛堿問題普遍,測(cè)區(qū)幾乎墻角位置都出現(xiàn)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(xiàn)的霉變、泛堿等問題。后進(jìn)行針對(duì)性分析發(fā)現(xiàn),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(duì)濕度非常敏感。如果城墻周圍環(huán)境濕度較高,或者城墻自身存在滲漏問題,濕氣會(huì)滲入墻體內(nèi)部,導(dǎo)致墻體潮濕,當(dāng)墻體潮濕時(shí),鹽分會(huì)溶解在濕氣中,隨著濕氣的蒸發(fā),鹽分會(huì)沉積在墻體表面,形成白色的泛堿現(xiàn)象,從而滋生霉菌,進(jìn)而引起霉變。

針對(duì)圖5等常見磚墻霉變、泛堿等問題,后期可以對(duì)含有高鹽含量的城墻材料進(jìn)行鹽分處理,如用淡水沖洗墻體表面,將溶解在墻體內(nèi)部的鹽分沖洗掉,減少泛堿現(xiàn)象的發(fā)生。還需定期檢查城墻的濕度情況,及時(shí)清除墻體表面的濕氣和霉菌,保持墻體干燥,并對(duì)城墻進(jìn)行防水處理,修復(fù)墻體滲漏問題。此外,由于桐油具有干燥快、防潮好、防水性強(qiáng)等特點(diǎn),可起到膠結(jié)磚灰的作用,可對(duì)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(qiáng)青磚墻的防潮、防水、抗風(fēng)化能力。

3.3 風(fēng)化、沙化及修復(fù)

經(jīng)實(shí)景三維模型勘察后發(fā)現(xiàn),測(cè)區(qū)石雕風(fēng)化問題也較為普遍,經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)共發(fā)現(xiàn)石雕風(fēng)化、沙化問題共計(jì)13處。如圖6所示為一沙化的石獅,腿部出現(xiàn)明顯沙化現(xiàn)象。分析后認(rèn)為,石獅長(zhǎng)期暴露在風(fēng)吹雨打、日曬雨淋的環(huán)境中,容易受到氧化、紫外線、酸雨等天氣因素的影響,導(dǎo)致石雕表面脫落、龜裂、剝落等現(xiàn)象。此外,一些生物如藻類、菌類等會(huì)在石雕表面生長(zhǎng),長(zhǎng)期侵蝕石雕表面,導(dǎo)致石雕表面產(chǎn)生風(fēng)化和沙化問題。

對(duì)圖6石獅修繕時(shí),首先需要對(duì)石獅表面進(jìn)行清洗,清除石雕表面的污垢和沙塵,清洗時(shí)要注意不損傷石雕表面,可以使用低壓噴水或化學(xué)清洗劑等方法。然后對(duì)石獅表面的龜裂、剝落等缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)時(shí)要選擇與原材料相同的材料,采用合適的技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ),以保證修復(fù)效果和持久性。最后對(duì)修復(fù)后的石獅進(jìn)行防護(hù)處理,如涂刷防水涂料、石蠟等,以保護(hù)石雕表面不受自然環(huán)境和污染的影響,修復(fù)過程中要注意與原有石雕的顏色、紋理和質(zhì)感相協(xié)調(diào),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(fù)

平遙古城由于參觀人流量較大,人為因素也是導(dǎo)致古建筑病害的重要原因之一。部分石構(gòu)件受外力過大且外力不均勻(如撞擊、墜落、踩踏等)導(dǎo)致局部可能出現(xiàn)松動(dòng)、裂縫等問題,修繕時(shí)首先將損壞之處圈出研究是否為承重結(jié)構(gòu),對(duì)表層進(jìn)行適當(dāng)修復(fù);如是承重結(jié)構(gòu),一定在盡量維持原貌的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固,防止留有坍塌的危險(xiǎn)隱患。如圖7所示為測(cè)區(qū)內(nèi)某處影壁出現(xiàn)的裂縫問題,在確定為非承重結(jié)構(gòu)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(qiáng)修復(fù)效果;最后使用砂紙或砂輪將修復(fù)區(qū)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(jìn)行涂刷,使修復(fù)區(qū)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(chǔ)、增加支撐結(jié)構(gòu)、補(bǔ)強(qiáng)梁柱等方式,提升古建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震能力。并建立完善的管理機(jī)制、制定規(guī)范的使用規(guī)定,加強(qiáng)對(duì)古建筑的日常維護(hù)和保養(yǎng)工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理病害問題。此外,加強(qiáng)對(duì)古建筑的宣傳和教育,提高公眾的保護(hù)意識(shí),也是古建筑保護(hù)的重要方面。

4 結(jié)語

綜上所述,貼近傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為文保部門提供了一種高效、精確的方法,輔助技術(shù)人員全面掌握古建筑物的狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和制定合理的修復(fù)方案。同時(shí),通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,可以追蹤病害的發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)采取措施進(jìn)行修復(fù)和保護(hù),延長(zhǎng)古建筑物的壽命。