利用無人機三維建模技術對順義區(qū)元圣宮物質文化遺產保護研究

       隨著對中國傳統古建筑進行保護的要求逐步提高，探索更加行而有效的數據采集整理方法顯得更加重要。對比傳統古建筑保護中在數據采集上的方法，現代的數據采集整理方法就變得更加使用高效，對于傳統物質文化遺產的保護研究。筆者介紹了利用現代的數據采集整理手法對順義區(qū)元圣宮的保護研究，以及和傳統方式相比的優(yōu)勢以及成果展示，重點了解針對本次數據采集方法中更加適合于現代工作模式的具體體現，以及針對本次研究中對古建筑單體以及古建筑群落的數據采集整理方法研究。

  在中國經濟與文化大發(fā)展大繁榮的今天，增加人們對中華歷史文化的認同感顯得十分必要，而中國物質文化遺產正是中華歷史文化的見證者與物質載體，其中物質文化遺產包括了可移動物質文化遺產以及不可移動物質文化遺產，其中中國古建筑屬于物質文化遺產中的不可移動文物，在中國古建筑發(fā)展史上的每個時期都有能夠代表當時時期的建筑樣式，這也可以從側面體現中國在不同歷史時期的文化習俗與當時的自然人文環(huán)境。所以應該對中國古代建筑進行合理的保護與開發(fā)。

  北京順義區(qū)的不可移動物質文化遺產十分稀少，目前在順義區(qū)內確定的物質文化遺產只有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，屬于北京市級文物。它始建年代不詳，據史料記載元圣宮在明萬歷年間重修，現存建筑為清代法式。建國后北京市文物局分別在1959年，1985年，1995年和1998年對元圣宮進行了四次修繕。最近的一次大型修繕也要追溯到二十年前。所以我認為對順義區(qū)元圣宮物質文化遺產進行保護規(guī)劃是十分必要的。

  在2018年3月，《北京市大運河文化帶保護建設規(guī)劃》經北京市委常委通過，而順義區(qū)元圣宮正好位于潮白河順義段的上游區(qū)域，屬于北京市大運河文化帶內，同時元圣宮屬于北京市級文物且內部保護的相對完好，有很強的歷史文化價值，并且現今的順義區(qū)元圣宮正好位于牛欄山一中內，牛欄上一中屬于北京市重點高校，對元圣宮進行保護規(guī)劃對當地居民以及學校內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古代建筑的魅力。而且根據順義區(qū)區(qū)保單位提供的《北京市順義區(qū)不可移動文物名錄》顯示順義區(qū)內像元圣宮這類的文物還有三十一處，且文物等級與保存狀況不等。如果以順義區(qū)元圣宮物質文化遺產保護規(guī)劃作為案例。這樣也可以帶動順義區(qū)其他一部分古建筑的保護修復工作。

  圖 1 元圣宮無人機正攝影采集圖片

  本次對元圣宮物質文化遺產的研究范疇僅針對對順義區(qū)元圣宮調查過程中的工作內容以及調查研究程序的經驗總結，對順義區(qū)元圣宮物質文化遺產數據采集整理方法的研究，匯總成普世經驗，提煉出工作程序使其更加適合于現代的工作模式，并總結經驗成果。

  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1998年北京市文物局確定的核心保護范圍。中軸線從南向北依次為儀門，前殿，后殿，共三進院落，殿宇40余間整體格局保留基本完整具有很高的科學價值與歷史文化價值。并且確定了元圣宮文物建筑、保護范圍、Ⅰ類建設控制地帶、Ⅱ類建設控制地帶、Ⅲ類建設控制地帶。次順義區(qū)元圣宮物質文化遺產保護研究的主要內容是通過利用現代的FARO地基雷達掃描技術以及無人機三維建模技術對元圣宮內的牌樓門，儀門，前殿，中殿，后殿，配殿進行激光雷達掃描建模，通過對獲取的數據進行數據解算和數據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的模型。并利用其獲取的三維模型與傳統的測繪方式相對比，從而獲取到一種更加快速，更加可視化的古建筑群保護測繪模式以及通過利用激光雷達以及無人機掃描對古建筑更直觀的數字采集模式，匯總成一套更先進的古建筑數據采集建模保護模式。

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

  圖 2 元圣宮保護范圍及建設控制地帶（北京市文物局提供）

  在文物局和牛欄山一中的支持下對元圣宮進行了調研工作。利用大疆無人機，對其進行激光點云建模以及歷史素材收集工作。調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無人機和獲取到的pos數據對元圣宮進行正射掃描，為后期smart3D建模提供照片以及pos結算素材。這可以為之后的數字建模甚至虛擬現實還原元圣宮提供基礎數據。

  首先是大疆mavic無人機掃描，利用大疆mavic無人機對建筑物進行多角度不同高度航拍，它的有點就是可視化強隨時都可以看到視線以外比如屋頂瓦面等結構，并且高清畫質使掃描出的建筑物細節(jié)更好觀察，無人機自帶的pos數據可以導入到IE中結合無人機自帶的慣導imu數據進行耦合，導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無人機結合GSP地面站系統對順義區(qū)元圣宮進行不同高度的正射航拍（高度：120米，80米，50米，30米）。并用無人機對元圣宮進行推進航拍和定點八位航拍，獲取其正射數據以及周圍建設控制地帶的影像數據。

  （2）利用大疆mavic無人機結合GSP地面站系統對順義區(qū)元圣宮進行等高度（高度：30米）的傾斜攝影，將無人機鏡頭調整至向下45°角，分別從東南西北四個方向對元圣宮進行航線規(guī)劃拍攝，并且拍攝的內容必須覆蓋全部元圣宮文物建筑保護范圍。

  （3）利用大疆mavic無人機拍攝的30米段的正射圖片以及30米段四個方向的傾斜圖片進行三維建模。先用smart3D軟件結合大疆mavic無人機自帶的POS數據進行空三運算，獲取航拍位置信息并對預處理數據進行重疊率的比對，要求重疊率大于85%以上，之后再進行數據結算，處理成原建筑比例的高精度三維模型。導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，可以很好的對原建筑群進行掃描。不但保留了原比例原畫質的航拍圖片及影像也生成了原畫質高分辨率的三維模型。

  圖3元圣宮無人機傾斜攝影空間模型圖

  圖 4 元圣宮前殿空間模型

  利用大疆無人機對元圣宮進行正射，利用無人機自帶的POS數據進行航帶拼接，空三運算，最終結合無人機采集的正射影像對其元圣宮整體進行精確的Smart3D三維建模。利用單反相機對元圣宮內的主要構筑物，石獅子，石碑進行環(huán)形拍攝。利用smart3D對其進行三維建模。

  之后就可以利用內頁軟件進行對元圣宮內建筑規(guī)制進行分析并提出修復建議。

  （1）儀門制式規(guī)格分析：

  面闊三間，進深六檁，硬山過壟脊，外檐保留有清末民初的彩畫，現儀門四面墻體封閉，前后設近代門窗，室內地面完整，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，并對屋頂進行除草清理，儀門兩側留有原通道門遺址，殿前碩大槐樹兩顆，殘碑數通。

  （2）前殿制式規(guī)格分析：

  面闊三間，進深七檁，后改為壟脊，殘留正脊吻座，硬山頂，前置月臺，臺上有百年柏兩株，據傳殿內原供真武神，殿內兩山墻體繪有壁畫，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，與其共用一山墻，面闊三間，進深五檁，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）二進院正房制式規(guī)格分析：

  硬山式，面闊三間，開間均3.3米，進深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。梁架被后加吊頂遮擋。門窗已被替換。

  （5）二進院東、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，并對屋頂進行除草清理。

  （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，脊獸有不同程度風化破損需要修復，并對屋頂進行除草清理。

  表1 元圣宮內部建筑規(guī)格分析表 （來源：自制）

  針對傳統方式與本次數據采集方式我從最重要的兩個方面進行對比，分別是數據采集效率以及數據采集的精確度。因為我認為同過這兩個方面對兩種數據采集方式進行對比實驗后可以很好的尋找到更優(yōu)的數據采集方式。

  首先是數據采集效率，傳統的數據采集工具主要是利用直尺、皮尺、水準儀、測距儀對建筑物進行測量，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古建筑物進行測量，再或者是在古建筑外搭腳手架進行測量，這樣會因為攀爬對古建筑物部分地方造成二次破壞，而且十分耗費時間成本，一般測繪一棟面闊三間進深三米的抬梁式古建筑時，需要花費三個人至少兩天的時間才能答題完成數據采集，但利用FARO激光雷達和無人機的配合下，FARO激光雷達可以完成人視角以內的數據采集，無人機則可以代替爬到屋頂上測繪的人，直接飛到屋頂上方進行正射拍照即可，無需攀爬古建筑就能在三個小時之內完成數據采集以及內業(yè)解算的工作量。在降低了人工成本的同時極大的提高了工作效率。

  其次時在數據采集的精度上，傳統的測量工具例如直尺卷尺一般只能到毫米級別，并且因為人為因素會有一定的誤差，在修復階段因為誤差的存在會耽誤古建筑保護修復的時間，但利用FARO激光雷達和無人機的配合下的數據采集成果可以精確到毫米后一位小數，并且誤差僅在毫米級別，原因也很簡單，就是利用FARO激光雷達和無人機采集后的數據是激光點云數據，可以在各個點云之間測量，不涉及到人為測量產生的誤差問題很大程度上提高了數據采集的精確度，并且數據利于整理，對物質文化遺產保護起到推動的作用。