明长城墙体空间形态及微观病害高精度测绘研究★

杨 杰，曹迎春

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2.张家口市建筑文化遗产保护与传承数字技术重点实验室，河北 张家口 075000)

1 概述

1.1 研究背景

明长城东起鸭绿江畔的宁虎山，西至嘉峪关，其中人工墙体的长达6 200多千米，其工程繁盛、气势雄伟，堪称为世界奇迹，是中国最具代表性的超大型文化遗产。明长城遗迹以墙体为主要形态，包括夯土、砖砌、堆石等形式，其中夯土墙体占比最大[1]。夯土墙由黄土掺加碎砖石块、石灰、树枝等材料夯制而成，其密实度、结构强度及耐候性等都比砖、石类墙体低很多[2]。明朝灭亡之后，长城和其相关的防御设施逐渐衰败，长期裸露在外的夯土墙体滋生出裂缝、空洞、植物侵蚀等大量病害[3](见图1)。虽然目前残存墙体依然屹立并缓慢衰退，但在多种微观病害的长期作用下，遭受到严重破坏，保存状况已经岌岌可危[4]。因此，急需全面的调查和系统性研究墙体微观病害的整体发展状态。

1.2 研究综述

在过去的长城墙体病害研究工作中，有研究者探索了雨水[5]、区域[6]、气候[7]等自然因素对夯土墙体的影响；也有研究者从材料特性[8]、病害类型[9]、病害形态[10]等方面入手研究，但都局限于小范围长城区段的案例研究，对明长城系夯土墙体病害的整体状况较少；2007年开始，中国政府对长城进行了一次最大规模的基础调查，获得了长城的基本状况，但调查深度也仅限于地理分布，外观拍照，平、立面绘图等(见图2)，并未涉及墙身病害类型、位置和面积等微观细节。总体来说，虽然研究者对长城病害有众多研究，但都局限于一定范围之内，目前尚缺乏长城微观病害的系统性调查成果。长城军事防御体系微观病害系统性调查和整体性研究缺失的根本原因，在于其超大体量背景下，墙体海量微观病害信息调查和测绘的巨大困难。夯土墙体病害类型多样、形态复杂、数量巨大，对周期长、成本高、效率低的传统调查方式来说，如此巨大数据量的采集和处理工作是难以完成的。

近年来，科技进步极大提高了文化遗产的信息采集和处理能力。信息采集领域最显著的进步便是无人机摄影测绘技术[11]。它以小型无人机搭载各种云台相机，获得高分辨率光学影像信息。相比于搭架子、手工测量绘制的传统测绘方式，无人机摄影测绘技术可对文化遗产进行超近距离、非接触式的无损测绘，可获得文化遗产形态、材质、病害等信息的高精度影像。而无人机灵活机动、速度快、易于操作的优点，又可广泛适应尺度巨大、形态复杂和可达性差的文化遗产测绘，以及耐受山区、沟谷、丘陵和荒漠等各种复杂野外环境。凭借测绘精度高、速度快、可达范围广等优势，无人机摄影测绘技术在大尺度文化遗产的高精度测绘[12]、保护范围划定[13]、快速三维实景建模[14]以及保护监测领域[15]完成了传统人力难以完成的任务，极大推进了文化遗产数字化保护工作的进程，是明长城这种超大型遗址测绘的不二之选。

1.3 研究目标

本研究采用无人机摄影测量技术，快速、高效采集明长城墙体的大量高清图像，之后利用照片数据对该段长城进行三维重建，获得明长城高精度三维空间模型及立面正射影像数据，为后续的长城军事防御体系动态模拟、病害智能识别、虚拟漫游展示等多项工作提供基础数据支持。

2 技术路线

2.1 设备信息

研究相关的图像采集主要由大疆多旋翼无人机完成，涉及多款中、小型无人机，设备信息见表1。采集过程包括遗产形态分析、拍摄角度确定、航线规划等多项内容，确保形成最佳工作方案，以提高拍摄速度、安全性及后期影像拼合和点云生成的质量。测绘难点主要涉及复杂地形扫描路径规划、植物遮挡条件的墙体图像获取、以及后期三维模型的高精度合成等。

表1 测绘无人机参数信息

2.2 明长城夯土墙体病害信息拍摄

长城绵延数千公里，横向尺度极大，但是在竖向尺度上并不大，完整的长城墙体高度也不过数米，现在存留的墙体在遭受到破坏后高度变的更低。因此在测量时，要兼顾夯土墙体横向极长竖向较短的特点，对无人机飞行方式进行合理规划。

2.2.1 拍摄距离

为解决大体量长城墙体和微观病害之间的矛盾，在夯土墙体的拍摄距离设置上，采用“远中近分形法”拍摄方法(见图3)，对墙体进行多层次的拍摄。远景拍摄时，快速的大面积的对采样的夯土墙体进行大轮廓数据采集，取景范围包括夯土墙体和其周边环境，以获得该段夯土墙体的整体空间数据；中景拍摄时，取景范围以夯土墙体主体为主，墙体充满相机取景范围即可，从而获得中等距离的测量数据，该层次数据可显示夯土墙体上的较大的病害信息，如贯通墙体的裂缝、较大面积的覆盖植被或是一些直径较大的空洞，但是对于一些尺度较小的病害，该距离层次无法反映出来；近景拍摄时，根据理论计算与实际测试得出，无人机距离墙体1.5 m～3 m之间为最佳。 这是夯土墙体病害数据获取中至关重要的一步，拍摄距离越近照片的精度越高，该距离层次下，照片数据能清晰的反映出尺度较小的病害信息，提高数据精度。

“远中近分形法”的拍摄方法在获得不同尺度下的夯土墙体病害信息的同时，还提高了后期三维模型合成的准确率。远中近三层数据，远景照片把控全局，搭建出主体场景；中景照片针对墙体主体，合成出墙体的空间形态并反映出尺度较大的病害的基本信息，并可作为过渡信息连接远景照片数据和近景照片数据；近景照片针对夯土墙体上的病害信息，精细的构建出墙体表面的细节。三种距离的拍摄数据层层递进，完整的反映出了夯土墙体的病害信息。

2.2.2 重叠率与拍摄角度设置

在倾斜摄影测量中，重叠率一般分为航向重叠率和旁向重叠率，航向重叠率表示的是同一航线上前后相邻的两张航拍图片的重叠率，旁向重叠率则是相邻的两条航线上的两组航拍图像的重叠率。为保证能够获得高精度的空三数据，航向重叠率和旁向重叠率均设置为70%。

长城墙体表面在受到破坏后，早已不复当年完整，变得凹凸不平，拍摄过程中，为保证能完整的获得墙面的三维空间信息，需调整云台相机俯仰角度，以获得不同视角的图像数据。在本研究中，根据墙面凹凸变化程度不同，相机俯仰角度设置在15°～30°之间，凹凸变化越大，相机俯仰角度越大。因此在复杂的测绘环境下，需要在相同的飞行路线上，进行水平、仰视和俯视三次数据采集，方可取得最佳拍摄效果。

2.2.3 航线规划与高度控制

现存夯土墙体大部分都已经破败不堪，表层土剥落，沉积在墙体下方形成堆积层，墙体顶端受风蚀雨淋的破坏而变成不规则的波浪形。且长城墙体的摄影测量主要是长城墙体立面的测量，不同于地形的测量方式，因此无人机的高度并不是保持不变的，而是在上下移动。近景测量时，为了减小储存与后期计算的资源浪费，需在保证能获得完整数据的情况下合理控制无人机飞行高度。

本研究中，在每一条竖直航线上，无人机最高高度与墙体高度一致，最低高度以长城墙体的底部为界限，以重叠率需要确定高度间隔，在竖直航线上形成多个间隔相同的拍摄点位以进行定点定航线拍摄。为了不被墙体顶端凹凸不平的形状影响，主航线采用上下移动的拍摄方式，拍摄时从采样区域一端开始，无人机自上而下飞行或自下而上飞行皆可，拍摄完一条竖直航线后按照重叠度要求向旁侧平移一定距离继续竖直飞行，直至拍摄完全部采样区域(见图4)。

2.2.4 特殊环境处理

在夯土墙体的拍摄过程中，受长城墙体体积的影响，在远景与中景的拍摄过程中，无人机距离长城墙体相对较远，受地表环境影响较小，所以测绘时无人机灵活性高，极少遇到复杂难以拍摄的问题。但是在近景测量时，无人机距离长城墙体较近，且飞行高度相对较低，此时便会出现树木或构筑物等障碍物阻碍无人机按照固定航线飞行的情况。针对此类情况，可以适当调整无人机位置，若障碍物与墙体间有足够距离，可使无人机向前靠近墙体，飞行到障碍物与墙体之间进行拍摄。此时因为相机与墙体的距离拉近，取景范围相对之前变小。为保证重叠度能满足需求，可将相机左右摇头进行拍摄，在同一拍摄点位，照片数量由原来的垂直墙体的一张变为倾斜于墙体的水平两张或多张，同时在竖向航线的拍摄上缩小间隔距离、增加拍摄点位以满足重叠度需求。除此之外，躲避障碍物时还可以保持无人机到墙体的距离不变，将原本在障碍物上的航线分散到障碍物两侧，由一条航线变成两条航线，从而起到绕开障碍物的作用(见图5)。

近景拍摄时，夯土墙体本身的某些病害会在拍摄时对墙体表面造成遮挡，尤其是墙体上灌木和一些草本植物。这些植物生长在夯土墙体之上，扎根于墙体之中，植物杆径露在外面，在一定程度上遮挡到了部分墙体表面。常规的拍摄方式在拍摄此类区域时，无法拍摄到被植物遮挡到的墙体表面的数据信息。因此针对此种情况，需将无人机靠近墙体，在植物两侧较近的位置，绕过植物对遮挡部位进行倾斜拍摄，此时相机与墙体的倾斜角度可根据现场情况进行适当调整，拍摄得越详细越好，以便获得最多的夯土墙体病害数据信息。

3 三维模型重建

本研究中，三维模型重建使用的软件为Reality Capture，它可以从无序照片(地面和/或空中)或没有接缝的激光扫描中创建3D模型。经实际检验，本软件相比于Context Capture等常见的三维建模软件有速度快、精度高，色彩还原度高等优点。同时本软件对于多数据源具有更大的适配性，能较好的兼容无人机、单反、手机等不同来源的照片数据，对于三维场景的快速建模有较大优势。

经软件处理后，得夯土墙体采样位置的真彩色三维模型，产出墙体正立面投影,截取其中一段展示，如图6所示。

4 结果

选取100 m长城墙体作为采样区域，分别对其进行无人机和人工测量，结果显示，无人机测量获得墙体正立面图像所用总时间为12 h 26 min，图像精度在2 mm之内，且色彩还原度高。人工测量总用时34 h 8 min，成果为黑白线稿图像，无墙体真实颜色，图像精度小于5 cm，且为短时间工作值。如果大量性长时间测绘，随着体力下降，人工测绘误差将显著增加。此外，以人工消耗考察，无人机测量单人即可完成所有操作，人工测量则需要三人协同操作才能完成，无人机将节省大量人力。

5 结论与展望

无人机低空摄影测量弥补了卫星遥感和人工测绘在微观病害测绘精度方面的不足。无论是在时间、人力还是精度上都要比传统测量具有优势，尤其是处理后的长城墙体正立面影像，更是人工测量完全无法实现的。研究成果对后期长城军事防御体系动态模拟、病害智能识别、虚拟漫游展示等多项工作具有重要的价值。