无人机影像在文物建筑保护中的应用

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付力

摘要：近年来无人机技术不断兴起，尤其小型智能无人机技术飞速发展。当小型智能无人机与GIS地理信息系统结合起来，就成为建筑遗产保护事业一种新的工作方法。本文结合实例介绍了无人机影像在古塔类建筑，土遗址保护以及传统村落保护等工作中应用的技术和方法，展示了无人机影像为文物建筑保护工作提供了新的技术支持。采集的数据经过处理不仅为文物保护工程提供参考数据支持，更作为档案为长期遗产监测的参考。随着无人机技术领域的不断发展，本文介绍的工作方法与思路将会成为建筑遗产保护工作中一种重要的科技保护手段。

关键词：文物建筑；无人机影像；摄影测量；三维重建

在以往的文物建筑保护工作中，经常遇到因文物建筑本体周边地形环境复杂，人的视角无法看到文物建筑本体的每个部位和细节，例如需要对古建筑屋面进行测绘或者调查残损状况，就需要借助梯子或周边的高大建筑物，小型多旋翼无人机的出现就为这种情况下的工作提供了极大便利。当人自身视角受到限制时，小型多旋翼无人机携带相机起飞可为我们提供文物建筑本体及周边环境的详细影像资料。

摄影测量，是利用光学摄影机获取的相片，经过处理以获取被摄物体的形状、大小、位置、特性及其相互关系的一门学科。在获取文物建筑影像后，我们利用摄影测量技术分析无人机影像，为文物建筑保护工作提供支持。结合三维重建技术，实现文物建筑全面数字化的分析与建档。此种工作方法，相比于三维激光扫描技术，具有操作简便，外业作业效率高，内业数据处理快，模型效果更佳真实等优势，适合在文物建筑保护工作中推广使用。

近年来无人机技术发展迅速，从2010年到2016年，仅仅6年的时间，小型多旋翼无人机就经历了四次技术变革。2010年至2012年多旋翼无人机集成化的飞行控制系统出现，实现了利用CPS增稳飞行，定点悬停和自主返航等功能。2012年至2014年，利用无刷电机驱动的三轴云台和WiFi数字图像传输的出现，使多旋翼无人机实现了稳定的拍摄影像，开始了真正意义上的航拍。2014年至2015年，4K相机，高清图传和视觉定位成为第三代多旋翼无人机的特点。进入2016年，具有环境感知，自动避障等功能以及开放SDK的第四代多旋翼无人机出现，多旋翼无人机开始进入智能时代。随着无人航空器数量增加，相关法规也不断完善，2013年11月18日，实施的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》中明确，空机质量小于7公斤，飞行半径500米以内，相对高度不超过120米的微型无人机无须证照管理，但是建议取得驾驶员合格证后持证工作，毕竟从事文物建筑保护工作中很多文物建筑地处城镇或景区等人口稠密区域。

我们需要选择适合于工作的无人机。电力驱动的多旋翼无人机因其飞行速度较慢，可垂直起降，可稳定悬停，对起降场地要求简单，携带便捷等优势成为我们的选择的类型（图1）。选定无人机类型后，我们要求工作无人机满足以下条件。第一，具有高度安全的飞行性能，由于文物建筑保护工作不可能像考古发掘现场一样，做到把地面人员完全撤离无人机工作区域，甚至无人机会经常在人口稠密区域工作。这就需要无人机有集成化的硬件设计，与传统多旋翼无人机裸露的飞控与导航系统的布局相比，具有减少故障率，使用便捷，抗干扰能力强等优势。很多文物建筑地处山区，山区气流复杂，需要无人机有更好的抗风性。第二，能获取高分辨率的影像和高清图像传输，因为文物建筑保护工作的严谨性，需要精确控制无人机飞行高清图传必不可少。第三，为了后续以无人机作为平台拓展工作范围，需要无人机具有开放的SDK（软件开发工具包），为各种辅助软件的配合使用奠定基础。基于以上要求，我们选择DJl Inspire 1多旋翼无人机作为工作平台，云台相机为1200万像素，配20毫米的广角镜头。

一、无人机影像在古砖塔类文物

建筑保护中的应用

古砖塔是文物建筑中一个特别的门类，由于其本身形制结构的原因，一直存在建筑本体测绘和病害调查工作难度大的问题。以往工作中，在做砖塔建筑维修设计方案前，就需要在本体周围打满脚手架，测绘人员才能到达塔身对塔进行测绘与病害调查。这些经历几百年洗礼的砖塔本身也存在结构安全问题，这种方法不仅耗费人力物力财力，而且对测绘人员的安全也存在威胁。通过遥控无人机对砖塔进行影像采集，结合摄影测量和三维重建技术，精度完全可以满足测绘和病害调查的工作要求，取代传统繁琐的现场工作。

（一）控制点布设与无人机影像采集

在遥控无人机采集影像之前，要在拍摄区域的四角布设至少4个控制点，控制点地面放上标靶。标靶颜色要醒目，保证在采集的影像中能明确看到标靶中心。对标靶位置坐标进行测量，不建议使用RTK之类设备，因测量范围较小误差较大，不满足建筑测绘精度的要求；而应使用电子全站仪测量，特别是使用免棱镜方式直接瞄准控制点中心进行测量，能够将测量精度控制在误差3至5毫米。同时还要对布设的控制点进行方位和拍照记录，避免后期数据处理时出现录入错误。

控制无人机起飞之前，要对天气环境进行判断，观察有无干扰源，每次飞行的地点距离超过10公里都要重新校准地磁，保证飞行安全是首要前提。尽量选择在阴天进行影像采集工作，这样能减弱晴天阳光直射下相机对砖塔的明暗部拍摄时因光照不同产生曝光量的巨大反差，明暗差距过大的照片会增加后期处理的工作量，增加软件的运算难度。拍摄前，首先进入DJl GO软件，校准地磁。如果在晴天采集影像，将相机调制M档位，将相机朝向砖塔的朝阳面进行测光，以此为标准将EV值减2/3档，当无人机对砖塔暗部拍摄时，要根据实际情况增加曝光量，如果拍摄的照片过暗，即使用软件进行修正也会在暗部产生大量噪点，对数据处理产生影响。起飞前要对无人机飞行路线进行规划。以河南宜阳五花寺塔为例，五花寺塔为青砖结构、八角密檐式的古塔，遥控无人机在距离塔身5米处沿五花寺塔的每个角自下而上或者自上而下垂直飞行，保持镜头与垂直方向呈5°的倾角对塔每层的塔身和塔檐各拍一张照片，塔的一个角拍完继续拍摄另一个角，对于塔顶和塔刹拍摄时，镜头要与垂直面呈40°倾角拍摄。对塔基位置拍摄时，镜头也要与垂直方向呈40°倾角，并且与塔身的距离稍远一点，这样方便拍摄到塔身周边的地面和预先布设的控制点标靶（图2）。采集完成后，现场检查采集的影像，如果塔身有没有拍到的部分，例如塔檐的下部，可在地面上用相机补拍，确保没有漏拍的位置。

（二）数据处理及应用

数据处理阶段，首先对采集的影像进行亮度和对比度的调节，保证处理前影像的明暗效果较为统一。通过Adobe Photoshop软件的“色阶”和“曲线”功能调整影像的亮度和对比度，必要时可用“阴影/高光”功能找回暗部或亮部细节，但是要根据情况控制找回细节的程度，设置数值过大会造成大量噪点的产生，影响三维重建的模型质量。

Agisoff PhotoScan是一款基于影像自动生成高质量三维模型的软件，不需要设置初始值和相机检校，它利用多视图三维重建技术对影像进行处理，通过控制点则可以生成真实坐标的三维模型。照片的拍摄位置是任意的，无论是航摄照片还是高分辨率数码相机拍摄的影像都可以使用。整个工作流程无论是影像定向还是三维模型重建过程都是完全自动化的。PhotoScan可生成高分辨率正射影像及带精细色彩纹理的DEM（数字高程模型）模型，使用控制点精度可以达到厘米级别。

将影像导入Agisoft Photoscan软件，处理步骤分为“对齐照片”“生成密集点云”“生成网格”“生成纹理”四个步骤。首先选择对齐照片，精度选择“高”，生成稀疏点云（图3）。利用调整区域大小工具，选择工作区域，剔除不需要的稀疏点云以提高运算速度。选择“建立密集点云”选择使用中等或中等以上的精度（图4）。再通过“生成网格”和“生成纹理”两步，完成三维模型重建，这四个步骤的参数设置可根据文物建筑的复杂程度自行设置参数（图5、6）。最后在建好的模型中找到事先布设好的控制点通过“创建标记”输入各个控制点的三维坐标，这样组成整个模型的每个密集点云就都有了自己的空间位置信息。

利用生成的三维模型，我们可以从各个视角对塔身的残损情况进行调查，不再需要现场搭设脚手架，节省了人力物力财力，提高了工作效率（图7、8）。可在导出的三维模型上对塔身各个部位的尺寸进行精细测绘，也可对地基沉降，塔身倾斜角度进行测量。无人机采集塔身外部影像的同时，人携带相机对塔身内部进行拍照，以同样的方法对采集的影像进行三维重建处理，再将模型进行切割，即可分别绘制塔身的剖面图和每一层的平面图。这种工作方法基本将以往繁重的外业文物建筑本体建筑测绘工作，以数字化的形式搬到了电脑上进行，使得测绘精度和工作效率都得到了提高，同时也建立了完整的文物建筑本体数字化的档案。

二、无人机影像在土遗址保护工作中的应用

土遗址由于分布广，类型多，组成复杂，保护研究工作起步较晚，其保护在世界文化遗产保护领域一直是个难题。我们利用无人机影像通过数字摄影测量和多视角三维重建技术，对土遗址本体进行三维重建，快速对土遗址本体进行精细测绘，为保护工程提供准确依据，同时对土遗址本体保存状况的监测提供参考。

（一）无人机航线规划及影像采集

首先要在影像采集区域的四角布设四个控制点，因每个土遗址的本体和周边环境不同，无人机需要以不同的相对高度飞行，所以我们需要准备不同尺寸的控制点标靶。当飞机以30米至60米的相对高度飞行时，需要使用长宽各50厘米的标靶，当飞机以60米至100米的相对高度飞行时，需要使用长宽各100厘米的标靶。必须保证控制点标靶在采集的影像中能清晰可见，这样才便于准确标注控制点坐标。因土遗址范围较大，需要使用RTK等设备对控制点进行测量。同时可以再选取几处地面的明显标志物测量其坐标位置，作为备用控制点。

对土遗址的影像采集，需要无人机以一定的相对高度，飞行若干条平行的折返航带，同时采集的影像相邻的两张影像有70%-80%的航向重叠，两条航带所采集的影像有40%的旁向重叠。因为无人机每次飞行有着不同的地理和气象环境背景，风速和风向的变化都会对无人机的飞行产生干扰，因此想要手动控制无人机飞行，使无人机不偏离航线并且采集满足重叠率要求的影像十分困难，同时还要对无人机工作电量做好预估和规划。鉴于我们选用的无人机具有开放的SDK（软件开发工具包），所以我们使用第三方软件Altizure用于规划航线和控制无人机自主飞行及影像采集。

Altizure软件工作界面（图9），绿色区域为影像采集区域，蓝色圆点为控制人员所在位置，蓝色箭头为无人机位置及机头方向，画面上方为GPS接收卫星数量和电池电量电压，左下角为影像采集区域面积及飞行参数，右下角为相机实时画面。使用Altizure软件首先在卫星地图上规划影像采集区域，设定飞行高度，软件支持设定的飞行高度为20米至500米，一般常用的飞行高度为40米至100米，应确定设定的飞行高度高于地面障碍物，保证飞行安全。软件会根据设定的飞行高度在采集区域内自动规划出满足影像采集重叠率要求的航线。生成1至5条航线，第1条航线为正射影像采集航线，相机垂直于地面采集影像，第2条至第5条航线为倾斜摄影采集航线，相机与水平面呈30度夹角倾斜采集影像，可以根据采集对象的复杂程度选择航线（图10）。选择采集区域的时候需要注意，以TB-48电池为例，一块电池的电量可以支持以80米的飞行高度完成长约为350米，宽约为200米的范围的正射影像采集。显示飞行时间为10分钟25秒，这个时间为无人机在航线中的飞行时间，同时还要将起飞降落的电量预留出来。经反复试验，10分钟左右的航线飞行时间较为稳妥，超出这一时间有可能造成电池电量不足。如果需要采集的土遗址范围较大，也可以将大的采集范围分成几条航线进行影像采集。无人机应选择制高点起飞，两个人配合，一人作为控制员控制无人机，一人作为观察员时刻观察无人机状态，无人机以F档位起飞，一旦出现异常立刻切换至P档位解除自主飞行夺回控制权。无人机进入预先规划的航线后，Altizure软件会控制无人机自主匀速飞行，同时自主进行影像采集。经长期使用验证，Altizure软件配合DJl Inspire 1无人机使用具有飞行稳定性高，工作效率高，影像采集精准无死角等特点。

（二）数据处理及应用

以南顿故城北城墙为例，将影像导入AgisoftPhotoscan软件，经过“对齐照片”“生成密集点云”“生成网格”“生成纹理”“录入控制点坐标”等步骤完成模型的重建（图11）。选择“导出正射影像”，将地表表面数字高程模型导出为TIFF格式文件（图12），将TIFF文件导入Global Mapper软件生成带等高线的数字表面高程模型（图13），由于是地表表面的数字高程模型，所以城墙表面生长的植物会对等高线的精度产生影响，所以尽量选择在冬季植物落叶后再进行影像采集，少了植物的干扰生成的数字高程模型更为准确。最后可导出CAD文件用于绘制小比例尺地形图，应用于城墙本体的维修加固设计。

这种利用无人机影像进行土遗址本体测绘的方法，相比于传统测绘方法，不仅效率高精度高，尤其对于一些保存状况较差，土质疏松的土城墙遗址来说，这种方法不需要工作人员与土遗址本体接触也避免了对本体的二次破坏。相比于三维激光扫描的测绘方法，又具有设备成本低、外业工作量小、内业数据处理快的优势。

三、无人机影像在建筑遗产调查

及遗产监测中的应用

无人机影像在建筑遗产调查中也发挥着重要作用。近年来国家大力推进传统村落的保护工作，要保护首先就要摸清楚传统村落中古民居的保存现状。以往进行古民居调研只是对单个建筑本体进行拍照，或者对单个的院落布局绘制简单的平面图，无法对整个传统村落的布局和周边环境进行把握。很多传统村落又地处偏远地区，缺少地形图，整理调研资料的时候经常遇到，对一个院落做了详细的记录却不清楚这个院落位于传统村落的哪个位置。收集的资料总是碎片化的，缺少对整个传统村落空间布局的记录。

小店河清代民居建筑群，是中国首批传统村落、豫北地区规模最大和原有风貌最完整的清代民居建筑群。通过与土遗址本体测绘相似的方法使用无人机影像快速获取整个传统村落的三维重建模型和正摄影像图（图14、15），使得文物建筑保护工作人员对整个村落的布局和保存状况有了更加清晰直观的了解，对于研究传统村落的山水环境，选址，建筑布局提供了重要依据。同时这种方法对于整个传统村落进行了数字化的建档，数字三维模型所包含的信息远比平面的照片更加丰富。

利用无人机影像建立三维模型成本低，速度快，可以定期对文物建筑进行影像采集，经过一段时间的监测，将几次采集的影像进行三维重建后的模型进行对比，文物建筑病害残损的发展，传统村落古民居的消逝，土遗址的病害发展及保护措施的保护效果，遗产周边环境的治理情况都能清晰的反映出来，为遗产监测工作提供了新的方法。

四、结语

无人机影像在文物建筑保护工作中的应用，不仅是提供更多是数据分析和参考，更是对文物建筑测绘工作方式的一种变革，改变了多年来只能靠卷尺、测距仪、手工绘图的方法。尤其是针对砖塔类和砖石结构的文物建筑，整个建筑测绘工作的精度和效率都有了巨大进步，砖塔的测绘工作，省去了以往搭脚手架的工作程序，一次影像采集就完成了病害残损调查，建筑测绘等多个工作任务。对土遗址本体的测绘更加精准全面，以前人无法到达的地方现在都可以清晰的展现在三维模型上，同时也减少了测绘工作对土遗址的破坏。

利用无人机影像生成的三维模型，准确度高，模型表面纹理丰富逼真，为文物保护单位的宣传展示提供了新的方式。参观者通过一块屏幕就能了解文物建筑的全貌，而且可以从不同的角度来观看文物建筑，结合近年来兴起的VR虚拟现实技术，让不可移动文物的展示进入全新的数字化时代。

无人机影像结合三维重建技术，不仅提高了文物建筑保护工作的效率，而且提供的更为准确的数据，随着无人机技术的发展和相关软件的不断进步，这种方法将会更广泛的应用于文物建筑保护工作中，成为文物建筑科技保护工作的重要方式。