利用無人機(jī)三維建模技術(shù)對(duì)順義區(qū)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)研究

       隨著對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑進(jìn)行保護(hù)的要求逐步提高，探索更加行而有效的數(shù)據(jù)采集整理方法顯得更加重要。對(duì)比傳統(tǒng)古建筑保護(hù)中在數(shù)據(jù)采集上的方法，現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集整理方法就變得更加使用高效，對(duì)于傳統(tǒng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)研究。筆者介紹了利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集整理手法對(duì)順義區(qū)元圣宮的保護(hù)研究，以及和傳統(tǒng)方式相比的優(yōu)勢(shì)以及成果展示，重點(diǎn)了解針對(duì)本次數(shù)據(jù)采集方法中更加適合于現(xiàn)代工作模式的具體體現(xiàn)，以及針對(duì)本次研究中對(duì)古建筑單體以及古建筑群落的數(shù)據(jù)采集整理方法研究。

  在中國(guó)經(jīng)濟(jì)與文化大發(fā)展大繁榮的今天，增加人們對(duì)中華歷史文化的認(rèn)同感顯得十分必要，而中國(guó)物質(zhì)文化遺產(chǎn)正是中華歷史文化的見證者與物質(zhì)載體，其中物質(zhì)文化遺產(chǎn)包括了可移動(dòng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)以及不可移動(dòng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)，其中中國(guó)古建筑屬于物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的不可移動(dòng)文物，在中國(guó)古建筑發(fā)展史上的每個(gè)時(shí)期都有能夠代表當(dāng)時(shí)時(shí)期的建筑樣式，這也可以從側(cè)面體現(xiàn)中國(guó)在不同歷史時(shí)期的文化習(xí)俗與當(dāng)時(shí)的自然人文環(huán)境。所以應(yīng)該對(duì)中國(guó)古代建筑進(jìn)行合理的保護(hù)與開發(fā)。

  北京順義區(qū)的不可移動(dòng)物質(zhì)文化遺產(chǎn)十分稀少，目前在順義區(qū)內(nèi)確定的物質(zhì)文化遺產(chǎn)只有31處，其中最為典型就要說是順義區(qū)元圣宮了。元圣宮位于北京城東北順義區(qū)牛欄山下，潮白河畔，屬于北京市級(jí)文物。它始建年代不詳，據(jù)史料記載元圣宮在明萬歷年間重修，現(xiàn)存建筑為清代法式。建國(guó)后北京市文物局分別在1959年，1985年，1995年和1998年對(duì)元圣宮進(jìn)行了四次修繕。最近的一次大型修繕也要追溯到二十年前。所以我認(rèn)為對(duì)順義區(qū)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)規(guī)劃是十分必要的。

  在2018年3月，《北京市大運(yùn)河文化帶保護(hù)建設(shè)規(guī)劃》經(jīng)北京市委常委通過，而順義區(qū)元圣宮正好位于潮白河順義段的上游區(qū)域，屬于北京市大運(yùn)河文化帶內(nèi)，同時(shí)元圣宮屬于北京市級(jí)文物且內(nèi)部保護(hù)的相對(duì)完好，有很強(qiáng)的歷史文化價(jià)值，并且現(xiàn)今的順義區(qū)元圣宮正好位于牛欄山一中內(nèi)，牛欄上一中屬于北京市重點(diǎn)高校，對(duì)元圣宮進(jìn)行保護(hù)規(guī)劃對(duì)當(dāng)?shù)鼐用褚约皩W(xué)校內(nèi)師生的歷史文化水平也是一種提高。可以向人們更加直觀的展示中國(guó)古代建筑的魅力。而且根據(jù)順義區(qū)區(qū)保單位提供的《北京市順義區(qū)不可移動(dòng)文物名錄》顯示順義區(qū)內(nèi)像元圣宮這類的文物還有三十一處，且文物等級(jí)與保存狀況不等。如果以順義區(qū)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃作為案例。這樣也可以帶動(dòng)順義區(qū)其他一部分古建筑的保護(hù)修復(fù)工作。

  圖 1 元圣宮無人機(jī)正攝影采集圖片

  本次對(duì)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)的研究范疇僅針對(duì)對(duì)順義區(qū)元圣宮調(diào)查過程中的工作內(nèi)容以及調(diào)查研究程序的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)順義區(qū)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)采集整理方法的研究，匯總成普世經(jīng)驗(yàn)，提煉出工作程序使其更加適合于現(xiàn)代的工作模式，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)成果。

  北京市順義區(qū)元圣宮是一座佛道合一的廟宇，座北朝南，殿宇四重。根據(jù)1998年北京市文物局確定的核心保護(hù)范圍。中軸線從南向北依次為儀門，前殿，后殿，共三進(jìn)院落，殿宇40余間整體格局保留基本完整具有很高的科學(xué)價(jià)值與歷史文化價(jià)值。并且確定了元圣宮文物建筑、保護(hù)范圍、Ⅰ類建設(shè)控制地帶、Ⅱ類建設(shè)控制地帶、Ⅲ類建設(shè)控制地帶。次順義區(qū)元圣宮物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)研究的主要內(nèi)容是通過利用現(xiàn)代的FARO地基雷達(dá)掃描技術(shù)以及無人機(jī)三維建模技術(shù)對(duì)元圣宮內(nèi)的牌樓門，儀門，前殿，中殿，后殿，配殿進(jìn)行激光雷達(dá)掃描建模，通過對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)分析從而快速精確獲取所掃描古建筑的三維模型，同事可以獲取到古建筑精確到毫米級(jí)的模型。并利用其獲取的三維模型與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相對(duì)比，從而獲取到一種更加快速，更加可視化的古建筑群保護(hù)測(cè)繪模式以及通過利用激光雷達(dá)以及無人機(jī)掃描對(duì)古建筑更直觀的數(shù)字采集模式，匯總成一套更先進(jìn)的古建筑數(shù)據(jù)采集建模保護(hù)模式。

  根據(jù)北京市文物局提供的順義區(qū)元圣宮保護(hù)范圍可以知道，目前元圣宮院墻就是元圣宮的保護(hù)范圍邊界，院墻內(nèi)部為順義區(qū)元圣宮保護(hù)范圍，沿著元圣宮保護(hù)范圍向北20米內(nèi)、向東50米內(nèi)、向南30米內(nèi)、向西30米內(nèi)是Ⅰ類建設(shè)控制地帶，沿著Ⅰ類建設(shè)控制地帶向北50米內(nèi)、向東50米內(nèi)、向南50米內(nèi)、向西20米內(nèi)為Ⅱ類建設(shè)控制地帶，沿著Ⅱ類建設(shè)控制地帶向西80米內(nèi)為Ⅳ類建設(shè)控制地帶。

  圖 2 元圣宮保護(hù)范圍及建設(shè)控制地帶（北京市文物局提供）

  在文物局和牛欄山一中的支持下對(duì)元圣宮進(jìn)行了調(diào)研工作。利用大疆無人機(jī)，對(duì)其進(jìn)行激光點(diǎn)云建模以及歷史素材收集工作。調(diào)查元圣宮的歷史沿革和元圣宮各單體建筑的建筑規(guī)格。利用大疆spark無人機(jī)和獲取到的pos數(shù)據(jù)對(duì)元圣宮進(jìn)行正射掃描，為后期smart3D建模提供照片以及pos結(jié)算素材。這可以為之后的數(shù)字建模甚至虛擬現(xiàn)實(shí)還原元圣宮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

  首先是大疆mavic無人機(jī)掃描，利用大疆mavic無人機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行多角度不同高度航拍，它的有點(diǎn)就是可視化強(qiáng)隨時(shí)都可以看到視線以外比如屋頂瓦面等結(jié)構(gòu)，并且高清畫質(zhì)使掃描出的建筑物細(xì)節(jié)更好觀察，無人機(jī)自帶的pos數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入到IE中結(jié)合無人機(jī)自帶的慣導(dǎo)imu數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合，導(dǎo)入后期三維建模軟件后就可以處理成原建筑比例的高精度三維模型，所以基本操作如下。

  （1）利用大疆mavic無人機(jī)結(jié)合GSP地面站系統(tǒng)對(duì)順義區(qū)元圣宮進(jìn)行不同高度的正射航拍（高度：120米，80米，50米，30米）。并用無人機(jī)對(duì)元圣宮進(jìn)行推進(jìn)航拍和定點(diǎn)八位航拍，獲取其正射數(shù)據(jù)以及周圍建設(shè)控制地帶的影像數(shù)據(jù)。

  （2）利用大疆mavic無人機(jī)結(jié)合GSP地面站系統(tǒng)對(duì)順義區(qū)元圣宮進(jìn)行等高度（高度：30米）的傾斜攝影，將無人機(jī)鏡頭調(diào)整至向下45°角，分別從東南西北四個(gè)方向?qū)υm進(jìn)行航線規(guī)劃拍攝，并且拍攝的內(nèi)容必須覆蓋全部元圣宮文物建筑保護(hù)范圍。

  （3）利用大疆mavic無人機(jī)拍攝的30米段的正射圖片以及30米段四個(gè)方向的傾斜圖片進(jìn)行三維建模。先用smart3D軟件結(jié)合大疆mavic無人機(jī)自帶的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空三運(yùn)算，獲取航拍位置信息并對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊率的比對(duì)，要求重疊率大于85%以上，之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)算，處理成原建筑比例的高精度三維模型。導(dǎo)入后期三維建模軟件后就可以處理成原建筑比例的高精度三維模型，可以很好的對(duì)原建筑群進(jìn)行掃描。不但保留了原比例原畫質(zhì)的航拍圖片及影像也生成了原畫質(zhì)高分辨率的三維模型。

  圖3元圣宮無人機(jī)傾斜攝影空間模型圖

  圖 4 元圣宮前殿空間模型

  利用大疆無人機(jī)對(duì)元圣宮進(jìn)行正射，利用無人機(jī)自帶的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行航帶拼接，空三運(yùn)算，最終結(jié)合無人機(jī)采集的正射影像對(duì)其元圣宮整體進(jìn)行精確的Smart3D三維建模。利用單反相機(jī)對(duì)元圣宮內(nèi)的主要構(gòu)筑物，石獅子，石碑進(jìn)行環(huán)形拍攝。利用smart3D對(duì)其進(jìn)行三維建模。

  之后就可以利用內(nèi)頁(yè)軟件進(jìn)行對(duì)元圣宮內(nèi)建筑規(guī)制進(jìn)行分析并提出修復(fù)建議。

  （1）儀門制式規(guī)格分析：

  面闊三間，進(jìn)深六檁，硬山過壟脊，外檐保留有清末民初的彩畫，現(xiàn)儀門四面墻體封閉，前后設(shè)近代門窗，室內(nèi)地面完整，西山墻體兩邊開裂，脊獸殘缺，后檐瓦片松散，屋頂瓦面破損缺失，需要修復(fù)，并對(duì)屋頂進(jìn)行除草清理，儀門兩側(cè)留有原通道門遺址，殿前碩大槐樹兩顆，殘碑?dāng)?shù)通。

  （2）前殿制式規(guī)格分析：

  面闊三間，進(jìn)深七檁，后改為壟脊，殘留正脊吻座，硬山頂，前置月臺(tái)，臺(tái)上有百年柏兩株，據(jù)傳殿內(nèi)原供真武神，殿內(nèi)兩山墻體繪有壁畫，為釋迦本生圖和道教圖案。

  （3）東西耳殿制式規(guī)格分析：

  位于前殿東西兩側(cè)，與其共用一山墻，面闊三間，進(jìn)深五檁，硬山頂，此兩殿原為僧侶生活區(qū)，前檐靠近前殿一間處設(shè)南北墻，使東西耳殿明間及另一次間廟宇院落隔離，另靠前殿一間處為過門，傳說西為生門，東為鬼門。

  （4）二進(jìn)院正房制式規(guī)格分析：

  硬山式，面闊三間，開間均3.3米，進(jìn)深4米，前后廊深1.1米，合瓦屋面，過壟脊帶排山鈴鐺，后廊改成室內(nèi)。梁架被后加吊頂遮擋。門窗已被替換。

  （5）二進(jìn)院東、西廂房制式規(guī)格分析：

  均硬山式，面闊三間，左右開間均為3.2米，中間3.42米米，進(jìn)深兩間3.6米，前廊深0.9米，合瓦屋面，過壟脊帶排山鈴鐺。門窗已被替換屋頂瓦面破損缺失，需要修復(fù)，并對(duì)屋頂進(jìn)行除草清理。

  （6）后殿制式規(guī)格分析：

  硬山過壟脊，面闊5開間，黃琉璃綠剪邊筒瓦，金龍和璽彩畫，月臺(tái)高大。東西配殿各5間。院中柏樹參天，甬道用各色石子拼成圖案。二進(jìn)院正房東、西耳房：面闊兩間4.4米，硬山式，合瓦屋面。有廊將正房及廂房相連，廊寬0.9米，屋頂瓦面破損缺失，脊獸有不同程度風(fēng)化破損需要修復(fù)，并對(duì)屋頂進(jìn)行除草清理。

  表1 元圣宮內(nèi)部建筑規(guī)格分析表 （來源：自制）

  針對(duì)傳統(tǒng)方式與本次數(shù)據(jù)采集方式我從最重要的兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，分別是數(shù)據(jù)采集效率以及數(shù)據(jù)采集的精確度。因?yàn)槲艺J(rèn)為同過這兩個(gè)方面對(duì)兩種數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)后可以很好的尋找到更優(yōu)的數(shù)據(jù)采集方式。

  首先是數(shù)據(jù)采集效率，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工具主要是利用直尺、皮尺、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，一般情況下都需要攀爬到建筑物屋身以及屋頂或是房梁枋條上對(duì)古建筑物進(jìn)行測(cè)量，再或者是在古建筑外搭腳手架進(jìn)行測(cè)量，這樣會(huì)因?yàn)榕逝缹?duì)古建筑物部分地方造成二次破壞，而且十分耗費(fèi)時(shí)間成本，一般測(cè)繪一棟面闊三間進(jìn)深三米的抬梁式古建筑時(shí)，需要花費(fèi)三個(gè)人至少兩天的時(shí)間才能答題完成數(shù)據(jù)采集，但利用FARO激光雷達(dá)和無人機(jī)的配合下，F(xiàn)ARO激光雷達(dá)可以完成人視角以內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)則可以代替爬到屋頂上測(cè)繪的人，直接飛到屋頂上方進(jìn)行正射拍照即可，無需攀爬古建筑就能在三個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集以及內(nèi)業(yè)解算的工作量。在降低了人工成本的同時(shí)極大的提高了工作效率。

  其次時(shí)在數(shù)據(jù)采集的精度上，傳統(tǒng)的測(cè)量工具例如直尺卷尺一般只能到毫米級(jí)別，并且因?yàn)槿藶橐蛩貢?huì)有一定的誤差，在修復(fù)階段因?yàn)檎`差的存在會(huì)耽誤古建筑保護(hù)修復(fù)的時(shí)間，但利用FARO激光雷達(dá)和無人機(jī)的配合下的數(shù)據(jù)采集成果可以精確到毫米后一位小數(shù)，并且誤差僅在毫米級(jí)別，原因也很簡(jiǎn)單，就是利用FARO激光雷達(dá)和無人機(jī)采集后的數(shù)據(jù)是激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在各個(gè)點(diǎn)云之間測(cè)量，不涉及到人為測(cè)量產(chǎn)生的誤差問題很大程度上提高了數(shù)據(jù)采集的精確度，并且數(shù)據(jù)利于整理，對(duì)物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護(hù)起到推動(dòng)的作用。