明長城墻體空間形態(tài)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(xué)院，河北 張家口 075000； 2.張家口市建筑文化遺產(chǎn)保護與傳承數(shù)字技術(shù)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(guān)，其中人工墻體的長達(dá)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(chǎn)。明長城遺跡以墻體為主要形態(tài)，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(jié)構(gòu)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(guān)的防御設(shè)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(yán)重破壞，保存狀況已經(jīng)岌岌可危[4]。因此，急需全面的調(diào)查和系統(tǒng)性研究墻體微觀病害的整體發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

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(qū)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(tài)[10]等方面入手研究，但都局限于小范圍長城區(qū)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(jìn)行了一次最大規(guī)模的基礎(chǔ)調(diào)查，獲得了長城的基本狀況，但調(diào)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(xì)節(jié)?？傮w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(nèi)，目前尚缺乏長城微觀病害的系統(tǒng)性調(diào)查成果。長城軍事防御體系微觀病害系統(tǒng)性調(diào)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(diào)查和測繪的巨大困難。夯土墻體病害類型多樣、形態(tài)復(fù)雜、數(shù)量巨大，對周期長、成本高、效率低的傳統(tǒng)調(diào)查方式來說，如此巨大數(shù)據(jù)量的采集和處理工作是難以完成的。

近年來，科技進(jìn)步極大提高了文化遺產(chǎn)的信息采集和處理能力。信息采集領(lǐng)域最顯著的進(jìn)步便是無人機攝影測繪技術(shù)[11]。它以小型無人機搭載各種云臺相機，獲得高分辨率光學(xué)影像信息。相比于搭架子、手工測量繪制的傳統(tǒng)測繪方式，無人機攝影測繪技術(shù)可對文化遺產(chǎn)進(jìn)行超近距離、非接觸式的無損測繪，可獲得文化遺產(chǎn)形態(tài)、材質(zhì)、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(yōu)點，又可廣泛適應(yīng)尺度巨大、形態(tài)復(fù)雜和可達(dá)性差的文化遺產(chǎn)測繪，以及耐受山區(qū)、溝谷、丘陵和荒漠等各種復(fù)雜野外環(huán)境。憑借測繪精度高、速度快、可達(dá)范圍廣等優(yōu)勢，無人機攝影測繪技術(shù)在大尺度文化遺產(chǎn)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(jiān)測領(lǐng)域[15]完成了傳統(tǒng)人力難以完成的任務(wù)，極大推進(jìn)了文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護工作的進(jìn)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(biāo)

本研究采用無人機攝影測量技術(shù)，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(shù)據(jù)對該段長城進(jìn)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(shù)據(jù)，為后續(xù)的長城軍事防御體系動態(tài)模擬、病害智能識別、虛擬漫游展示等多項工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2 技術(shù)路線

2.1 設(shè)備信息

研究相關(guān)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(shè)備信息見表1。采集過程包括遺產(chǎn)形態(tài)分析、拍攝角度確定、航線規(guī)劃等多項內(nèi)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(zhì)量。測繪難點主要涉及復(fù)雜地形掃描路徑規(guī)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(shù)信息

2.2 明長城夯土墻體病害信息拍攝

長城綿延數(shù)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(shù)米，現(xiàn)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(jìn)行合理規(guī)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(shè)置上，采用“遠(yuǎn)中近分形法”拍攝方法(見圖3)，對墻體進(jìn)行多層次的拍攝。遠(yuǎn)景拍攝時，快速的大面積的對采樣的夯土墻體進(jìn)行大輪廓數(shù)據(jù)采集，取景范圍包括夯土墻體和其周邊環(huán)境，以獲得該段夯土墻體的整體空間數(shù)據(jù)；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(shù)據(jù)，該層次數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)獲取中至關(guān)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(shù)據(jù)能清晰的反映出尺度較小的病害信息，提高數(shù)據(jù)精度。

“遠(yuǎn)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(zhǔn)確率。遠(yuǎn)中近三層數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)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(tài)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(yuǎn)景照片數(shù)據(jù)和近景照片數(shù)據(jù)；近景照片針對夯土墻體上的病害信息，精細(xì)的構(gòu)建出墻體表面的細(xì)節(jié)。三種距離的拍攝數(shù)據(jù)層層遞進(jìn)，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(shè)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(shù)據(jù)，航向重疊率和旁向重疊率均設(shè)置為70%。

長城墻體表面在受到破壞后，早已不復(fù)當(dāng)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(diào)整云臺相機俯仰角度，以獲得不同視角的圖像數(shù)據(jù)。在本研究中，根據(jù)墻面凹凸變化程度不同，相機俯仰角度設(shè)置在15°～30°之間，凹凸變化越大，相機俯仰角度越大。因此在復(fù)雜的測繪環(huán)境下，需要在相同的飛行路線上，進(jìn)行水平、仰視和俯視三次數(shù)據(jù)采集，方可取得最佳拍攝效果。

2.2.3 航線規(guī)劃與高度控制

現(xiàn)存夯土墻體大部分都已經(jīng)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(fēng)蝕雨淋的破壞而變成不規(guī)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(shù)據(jù)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(jìn)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(qū)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(cè)平移一定距離繼續(xù)豎直飛行，直至拍攝完全部采樣區(qū)域(見圖4)。

2.2.4 特殊環(huán)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(yuǎn)景與中景的拍攝過程中，無人機距離長城墻體相對較遠(yuǎn)，受地表環(huán)境影響較小，所以測繪時無人機靈活性高，極少遇到復(fù)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(xiàn)樹木或構(gòu)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(dāng)調(diào)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(jìn)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(jìn)行拍攝，在同一拍攝點位，照片數(shù)量由原來的垂直墻體的一張變?yōu)閮A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(cè)，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(guī)的拍攝方式在拍攝此類區(qū)域時，無法拍攝到被植物遮擋到的墻體表面的數(shù)據(jù)信息。因此針對此種情況，需將無人機靠近墻體，在植物兩側(cè)較近的位置，繞過植物對遮擋部位進(jìn)行傾斜拍攝，此時相機與墻體的傾斜角度可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，拍攝得越詳細(xì)越好，以便獲得最多的夯土墻體病害數(shù)據(jù)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(chuàng)建3D模型。經(jīng)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(yōu)點。同時本軟件對于多數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對于三維場景的快速建模有較大優(yōu)勢。

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

4 結(jié)果

選取100 m長城墻體作為采樣區(qū)域，分別對其進(jìn)行無人機和人工測量，結(jié)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(nèi)，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(xié)同操作才能完成，無人機將節(jié)省大量人力。

5 結(jié)論與展望

無人機低空攝影測量彌補了衛(wèi)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(tǒng)測量具有優(yōu)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(xiàn)的。研究成果對后期長城軍事防御體系動態(tài)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。