无人机在古建筑保护中的运用探讨

钟明剑

摘 要：古建筑保护意义重大，而测绘是古建筑保护的前提条件，传统方法很难保证古建筑信息的健全，也可能会造成二次破坏，因此引入无人机技术进行古建筑测绘很有必要。文章探讨了无人机在古建筑保护中的运用，重点讨论了无人机测绘的应用方式，并简要列举了无人机在古建筑保护中的一些其他应用场景。

关键词：古建筑保护;无人机测绘;应用场景

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2022.02.017

古建筑是非常重要的历史文化遗产，也是国家文明的重要标志。我国的古建筑承载着悠久的历史文化以及精湛的建筑技艺，并且具有鲜明的地域特征与浓郁的人文精神，具有非常高的历史、科学和艺术价值。《中国文物古迹保护准则》将几十年来特别是新中国成立以来，中国文物保护工作及其积累的丰富经验进行了总结，并且点明了我国文物古迹的保护理论。在古建筑保护领域，一些先进技术被应用起来。特别是在古建筑测绘领域，应用了很多先进的技术手段，无人机测绘因为其灵活方便、成本低廉等特点，在古建筑保护领域拥有非常广阔的前景。

1 古建筑保护

古建筑具有非常高的价值，包括历史价值、艺术价值和科学价值。历史价值方面，古建筑反映一定历史时间内一些重要的事件或重要人物曾经在其中的活动，并且真实反映这些事件或人物的历史环境，体现某一历史时间内的物质生产、思想观念、风俗习惯、生活方式等。艺术价值方面体现在建筑艺术、景观艺术、造型艺术等，古建筑具有非常典型的时代特征，在类型、题材、形式和工艺方面有独特性，是不可移动的艺术品。科学价值方面，可以通过古建筑的选址布局、生态保护、灾害防御、结构设计等方面学习古代的建筑技艺。

2005年，国务院文件中引入了文化遗产的保护概念，它包括不可移动的文物保护单位、历史文化名城（街区、镇、村），也包括民俗、民间工艺等非物质文化遗产。对于文物古迹，在《文物保护法》中有明确规定，是指具有重要历史、科学、艺术价值的古迹，包括文化遗址、墓葬、建筑、石刻、壁画等不同形式。2008年，《历史文化名城名镇名村保护条例》提出了历史建筑的概念，这一概念很广泛，包括文物保护单位，也包括未公布為文物保护单位也未登记不可移动文物的建筑物、构筑物。很显然，对古建筑保护的相关法律法规越来越完善，保护力度越来越强。对于古建筑进行保护的一般流程包括调查、研究评估、确定级别、建立档案、制定保护规划、日常维护管理、实施保护工程、控制周边环境等，在《文物保护法》中这些工作基本都有明确规定，属于法定要求。在古建筑保护中建立档案是非常关键的一环。有了古建筑档案，不管未来该古建筑是否还在，都能找到存在的痕迹。当然从感情和价值认同上来讲，档案是冰冷的，它只是直白地记录着古建筑曾经的真实。

保护古建筑具有重大现实意义，当然古建筑由于具有不可再生性，一旦失去了就再也找不回来，只能通过一些零碎的档案资料去了解曾经存在过的文化的象征。2019年巴黎圣母院被付之一炬，几乎烧掉了半个巴黎的历史。2021年有着400年历史的中国最后的原始村落，翁丁村被烧毁，还不知道能不能重建起来，可能真的就丢失了中国这最后的原始村落，就像是2014年香格里拉独克宗古城大火之后，独克宗古城虽然被重建了，但似乎已经不是原来的味道。最核心的原因就在于本来保持着固定脉络的文化传承被大火隔断了。

2 古建筑测绘

尽管在感情上对于古建筑只有档案可看存在一定的忧虑，但不可否认的是，建立古建筑档案十分有利于保护和开发。在古建筑档案建立中，测绘是核心内容，测绘是建立档案的基本前提，通过对古建筑的观测、测量明确其具体数据和相关信息，这是古建筑保护工作最基本的环节也是开展其他保护性工作的前提条件。如果没有测绘提供数据支撑，那么研究评估、规划设计、保护工程的实施都可能会出错。也就是说古建筑测绘是古建筑保护的重中之重。实际上，由于目前建筑遗产保护工作人员缺乏对全部古建筑遗产实物基础性信息的认知和掌握，如测绘数据和土质、建立记录档案等，很多机构在古建筑保护中存在一些不理想的情况。

测绘获取的是古建筑的相关基础数据和资料，这些基础数据和资料是建筑历史研究、建筑艺术研究以及建筑史教学的重要基础。在传统建筑教育中古建筑测绘一直是非常重要的教育内容，阿尔伯蒂（文艺复兴大师）就在推动测绘经典建筑就是向古代大师学习的理念。巴黎美术学院专门设计了“罗马大奖”用以资助那些表现优异的学生到罗马考察、测绘古迹遗址。我国建筑教育也有古建筑测绘的传统，并且将测绘结果用于建筑遗产研究评估、管理维护、保护规划、保护工程实施等方面。当然古建筑测绘虽然属于工程测量中的一个分支，但是仅仅只有测量技术是不够的，需要在建筑学的核心素养方面有很高的建树，因为古建筑测绘不仅是对古建筑的描摹，还要对其在科学、人文、技术、艺术等方面进行体验、认知、理解和探究，并甄别、发现、评价建筑实体、空间以及历史文化内蕴，存在价值判断和信息取舍问题。

3 无人机的运用探讨

3.1 无人机为古建筑测绘提供便利

在以往的古建筑保护中，对古建筑的调查研究往往因为建筑周边环境复杂，人工测绘很难展现其全貌，一些细部结构需要搭架子去拍摄、测量。一方面，这样对古建筑不友好，可能因为测量人员的行为而导致古建筑被破坏;另一方面，这样对测量人员有威胁，古建筑由于长时间暴露在自然环境中，且基本都是木结构，其主体结构大多已经出现毛病，也就是俗称的“危房”，对测绘人员不友好。因此，古建筑测绘需要更为先进的技术手段来解决测绘中的问题。无人机就是针对人工无法完全测得古建筑全貌数据信息而出现的，它可基本不受限制地携带相机、三维激光扫描等测绘装置完成古建筑测绘工作，精度可能不是特别高，但满足要求，而且自动化程度高，可以采集到人工无法采集到的素材。事实上，无人机测绘技术在古建筑保护中的应用已经屡见不鲜，这得益于对于古建筑保护的力度不断加强，在古建筑保护对测绘的重视度越来越度，从而推动了无人机在古建筑测绘中的运用。

3.2 无人机在古建筑测绘中应用的一般方法

下面以古砖塔为例，简单叙述无人机在古建筑测绘中的方法。古砖塔在古建筑门类中是一个比较特别的门类，因其本身特殊的形制结构，一直存在古建筑测绘上的难点。以往在做测绘时需要搭建满堂支架用以支持测绘，极大地消耗了人力、物力和财力，而且对古砖塔本身不够友好。而通过无人机来进行测绘则不会有这些问题。具体操作方法参考如下：

第一步，需要在测绘对象四个角布置4个控制点，需要放标靶，标靶颜色需明显，确保在采集信息过程中能够清晰看到标靶中心。测量标靶坐标，最好使用免棱镜电子全站仪进行测量，保证精度。RTK测量技术可能因为小范围测量而出现较大误差，精度不佳，不建议使用。如果RTK技术进一步提升，精度提升则应当使用。

第二步，调查航测区域的天气环境，周边是否存在影响无人机安全飞行的障碍物，有无影响信息传输等方面的干扰源。这些需要根据使用的具体设备来确定。如果是拍摄影像的相机，最好选择在光线较好的阴天，避免阳光直射造成镜头曝光过度而画面失真，这会显著提升图像处理的工作量和难度。选定作业点，为无人机航测规划提供参考依据，然后制定航测方案，确定无人机起降点，基于无人机参数设定航线。需要注意的是，要在设定好航线后先行试飞，校准相关参数后正式开始航测。航测过程中注意无人机电量、飞行姿态，确保可以安全返航。对于拍摄区域高低不一的问题，可采用阶梯式航线，拍摄时每个区域高差变化尽可能小，单一航线影像重叠度至少75%，两条航线重叠度至少65%。例如河南省宜阳县三乡村的五花寺古塔，该古砖塔为青砖结构，八角密檐式，无人机与古塔塔身立面垂直距离5米，沿着每个角自下而上垂直飞行，当然这是一种行业规划方法，主要用于影像拍摄，要求镜头与立面呈5度角。

第三步，拍摄完成后立即检查影像，查看是否存在疏漏未拍摄到的地方。然后将影像上传至计算机，通过相关软件对影像进行处理，如Photoshop、AgisoftPhotoscan等。以Photoshop软件为例，处理流程为影像筛选、色彩还原、空中三角测量计算、相控点添加、空中三角测量计算、纹理模型生成。影像导入软件，利用软件批量处理功能，统一影像饱和度、亮度等参数，剔除掉残次影像。随后将建筑外围影像以及室内影像導入专业的软件，如Context Capture Center，由软件计算将二维数据转为三维空间形式，该软件可以运算生成基于真实影像的超高密度点云图，并以此构建高分辨率的实景三维模型。

第四步，生成的实景三维模型，可在快速浏览系统甚至VR虚拟空间中进行展示，尤其是VR展示，它可以弥补游客不能亲身进入古建筑内部进行体验的遗憾。

3.3 无人机在古建筑调查监测中的应用

古建筑测绘中还涉及建筑遗产调查，比如古村落调查。以前对古村落的调查一般都是细部调查，即对单一建筑进行图像绘制和模型制作，而无法准确把控整个村落的布局以及周边环境，在建立档案时经常会遇到一个建筑有详细的记录却不清楚该建筑位于村落的哪个位置。为此使用无人机航测快速获取整个古村落的三维重建模型和正射影像图，使古建筑保护人员能够对整个古村落的布局以及保存状况有清晰的了解，这对于研究村落的山水环境、选址布局等方面有重要价值。航测方法同上，只是使用的装置可能有所不同，需要用到摄像机、遥感以及三维激光扫描装置。

进一步来讲，通过无人机可以对古建筑进行跟踪调查。古建筑档案不是建立起来就结束了，还需要进行跟踪调查，不断更新档案资料，以呈现古建筑的历史变迁。在这一过程中，利用无人机、物联网等先进技术手段，形成实时跟踪监测体系。例如江西省的八角楼，通过设计无人机控制程序，由程序自动规划无人机三维航线，获取单体建筑三维信息，并最终将测得的数据录入计算机构建可测量的三维模型。

3.4 无人机在古建筑消防安全管理中的应用

值得关注的是，随着技术的进步，无人机不仅可以用来进行古建筑测绘，还可用来辅助古建筑消防安全管理。据统计，近十年来全国共接报古建筑火灾392起，直接财产损失达2808.9万元。现在已经出现消防无人机，其主体架构为四轴飞行器，还有集成控制器、通信模块、可见光摄像头、红外热像仪、扩音器、抛投设备等。现存很多古建筑都在环境复杂的地区，尤其是古老的村落更是多在偏僻地区，消防设施不全，一旦起火后果不堪设想，比如中国最后一个原始村落—云南省临沧市翁丁古寨，火灾起来后，当地人根本毫无灭火办法，只能看着古建筑被烧毁。消防无人机建设周期非常短，可以快速形成消防战斗力，前期投资也不高，但是收益很大。目前消防无人机可辅助灭火救援，可空投物资、携带关键器材入场，可远程喊话，可携带灭火器材替代消防救援人员直接参与灭火，可支撑通信，可跟踪监测，可进行侦察，这些对古建筑消防安全管理具有显著的支撑作用。

4 结束语

综上所述，按照当前法律法规要求，古建筑保护意义重大、责任重大。在古建筑保护工作中，建立档案是重要核心工作，其中调查研究评估需要用到测绘技术的支撑，传统的测绘技术手段可能对古建筑造成二次人为破坏，同时也并不能完整地获取古建筑的参数。无人机测绘的出现解决了很多难题，其智能化程度高，精致小巧而基本不受环境限制，可携带多种测绘装置，获取人工测绘无法获取的建筑信息，避免人工干预对古建筑造成的二次破坏，在数字化技术的支持下，能够建立实景三维模型，有助于VR旅游的发展，当然也对古建筑保护有重要支撑作用。

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