基于无人机摄影测量的建筑遗产数字化及其保护策略研究

燕圣泽，郭华瑜，孙 政，成方钰

（南京工业大学建筑学院，江苏 南京 210009）

1 无人机摄影测量技术带来的新方法

近年来，随着无人机摄影测量设备与技术的发展，建筑遗产测绘也从传统人工测量为主不断向着数字化、精细化发展。由于建筑遗产测绘对象往往高度较高、屋顶形态复杂，周边环境复杂，令传统测绘方法难以安全、全面、准确、便捷地进行测绘；也存在单次测绘时间长、记录图像信息不够全面、对建筑遗产本体干扰较大等缺点。而建筑遗产又必须定期测绘、记录相关数据，通过动态监测可以提前发现病害隐患，因此，改良技术，提升建筑遗产保护的效率和质量就尤显重要[1]。对不同角度拍摄图像进行三维重建的摄影测量技术能够在不接触建筑遗产本体的情况下高效地提供精确的图像及点云数据，但存在诸如地面拍摄角度受限、易受建筑周边植被遮挡、因视角问题难以测量坡屋顶的缺点。无人机摄影测量技术则能够在摄影测量的基础上借助无人机提供精确的俯视角度图片，为诸多传统建筑屋顶的建模提供清晰准确的基础数据，并凭借其操作安全便捷、非接触式测量、受场地植被影响小、记录外观信息较为全面的特点为建筑遗产测绘提供新的方法[2]。

2 南京中山陵光化亭保存状况

南京中山陵光化亭建成于民国二十三年（1934 年）秋，是举行孙中山先生奉安大典时由华侨捐资建造。设计师为现代建筑学家、建筑史学大家刘敦祯先生，虽然不同于中国传统建筑以木结构为主的结构体系，光化亭为纯石材建造，但形式却是仿木构的亭榭式样。因此在石材的加工与组建上，所有的石质构件均在福建的蒋源成（雕刻铺）石刻厂完成，而后分件运抵南京光化亭选址处进行安装。亭为八角形，内有圆石柱12 根，外圈石柱8 根，内圈石柱4 根，外圈沿柱的四面设有石凳。在重檐中间嵌有竖匾，刻“光化亭”。亭整体所用石料为福建产花岗石，花纹精细。整个石亭全部用石在850t 以上，容积约为300m3，石亭构件上雕刻纹样多与中山陵主体建筑趋同，与中山陵主体建筑一样均未施色彩，足见设计者充分考虑了建筑与中山陵环境的整体协调，精巧华美且不失庄严肃穆[3-4]。

光化亭虽采用中国传统建筑式样，但从形制、构造、纹样均有突破，具有近代建筑的一些时代特征。因地处中山陵，地位重要、含义特殊。作为一个纯石构亭式建筑，其用料未采用传统建筑中常用的青石石料，而是选择了坚实耐久但难加工的花岗岩，也未采用近代亭式建筑中常用的钢筋混凝土。雕刻精美结构精巧的光化亭位于中山陵小东山之上，未遭战火损毁，人为干扰因素较少；周边植被分布以及光、热、湿条件稳定。作为近代极具历史、艺术、文化、科学价值的历史建筑，光化亭的保护与展示对弘扬中华文化，缅怀中山先生具有重要意义。作为役作纯石构建筑，光化亭的保护也迫在眉睫。在江南湿热多余的环境中，光化亭也遭遇石质文物建筑常见的病害并具有一定的典型性。因此对光化亭的研究有助于了解南京近代石质文物建筑病害的生成原因，并几次制定有针对性保护策略。

3 基于无人机摄影测量技术的光化亭数字化表达

光化亭位于中山陵小东山之上，建筑本身高度较高，手工测量有难度，屋面部分的形态与坡度等难以准确把握。为了获得更加精确的建筑信息，测绘阶段通过无人机摄影测量、地面摄影测量方式对光化亭进行了摄影测量，并对测绘成果进行了梳理。

地面摄影阶段获取的照片因拍摄点高度以及视角限制，无法准确清晰地查看到檐上情况，因此地面摄影阶段主要针对光化亭外立面檐下部分以及内部天花部分进行了全方位的摄影记录。无人机摄影阶段利用无人机拍摄点的高度优势，在不同高度层以建筑为视角中心点，针对光化亭屋顶部分以及上檐部分进行了多圈环绕式影像记录。获取影像记录之后，经过人工筛选、镜头矫正、颜色矫正，使影像资料能够用于照片建模。综合测绘阶段获得的图像信息，使用Photoscan、CloudCompare 软件建立了光化亭的照片建模模型以及点云模型。

测绘模型还原了光化亭整体形态与细节特征，经过尺寸校对、色彩校对后达到了较好精度。模型准确反映了病害状态，为接下来的建筑测绘数据矢量化、病害初步分析、建筑修缮设计等提供了较为完备的数据与图像资料，如图1 所示。

图1 光化亭八个侧面数字化点云模型

4 基于数字化信息进行的建筑病害分析

首先，通过对测绘模型的分析，模拟光化亭。模型显示目前总体状况良好，但病害仍较为明显，主要分布于天花和屋面，主要表现为水渍、污渍、植被覆盖等。再对屋面以及天花的模型进行矢量化之后进行了病害区分与标注。

根据摄影测量模型提供的信息整理出的天花分件分析，可见建筑内部天花整体情况较为一般，遍布多处水渍。南侧情况较好，以少量动物损害和裂隙为主；北侧情况较为严重，大量水渍、结垢的同时伴有微生物侵害痕迹，侵害分布不均的原因初步猜想是建筑受到的南北向采光通风的不同以及周边植被分布密度的差异引起的。

建筑各面梁枋上彩画及雕刻图案部分情况较好，仅为轻微积尘及少量裂隙，但屋面部分病害较为严重，由于雨水侵蚀及生物侵蚀，上、下层屋檐水渍与微生物病害共生；上层屋檐由于花岗岩构件拼接缘故，也出现部分水渍。屋面总体水渍颜色明显重于天花水渍颜色。

此外，对于建筑梁枋彩画形式的石雕纹样，由于材料原因（花岗岩）的耐腐蚀及屋檐保护，立面上的雕刻整体较为规整，除部分构件边角处有一定磨损外，没有出现大规模的磨损、构件缺失或者不平整现象。

依据国际古迹遗址理事会ICOMOS 下属国际石材科学委员会ISCS 编制的《石材病害词汇表》，光化亭病害主要种类为“变色&附着堆积”（DISCOLORATION &DEPOSIT）、（变色及沉积）、“BIOLOGICAL COLONIZATION 生物着生”（生物附着生长）。

5 基于数字化分析的光化亭保护策略研究

光化亭病害以石质建筑表面的变色、沉积、水渍、生物附着为主，虽未对建筑本体结构稳定性造成大的损害，但已逐渐改变建筑风貌。在建筑遗产保护中，虽应适当保留历史沧桑痕迹，但对于病害却应防微杜渐。因此，对光化亭的病害，首先应采取多种手段甄别、检测，及时保养维护，以监测为主；其次，通过减轻、排除病害发生源头，避免现有病害进一步加深，以免对建筑本身造成不可逆转的损害。此外，对已经造成建筑外观明显变化且有碍观瞻的病害进行清除和修复。结合石质历史建筑病害修复的相关案例比较，对光化亭不同部分、不同种类以及不同程度的病害也应保留积极的可选保护方案。

5.1 石构件上彩画纹浮雕病害及修缮策略

石构件上的彩画纹浮雕主要病害为灰尘堆积。因此，可对彩画纹浮雕上的轻度积灰进行清理，使用干毛刷即可，避免灰尘久积并与雨水潮气混合形成结垢。建筑彩画纹石刻及檐下雕刻部分保存较为完好，仅有部分轻度积灰，使用干毛刷清洁，避免积灰进一步发展即可。

5.2 屋面角部及天花病害及修缮策略

光化亭的屋面上有微生物病害以及植物病害。去除屋面微生物及植物病害。屋面微生物苔藓病害较为严重，可使用雾化喷淋技术清除苔藓以防进一步侵蚀。建筑天花彩画纹雕刻部分总体纹样精细且完好，损害有限，且未有进一步发展趋势，天花部分微生物病害可分析后处理，目前可暂时保留现状[5]。建筑角部构件生物损害与水渍病害严重，并且有进一步扩展趋势，因此可使用雾化喷淋技术对于病害进行清除。

5.3 建筑构件连接处的病害及修缮策略

光化亭下屋面及角部有大量面状微生物病害，屋面石构件之间的灰缝有明显水渍及部分裂解，灰缝清理。对于部分裂解，起皮的灰缝可在分析材质后进行重新填补。光化亭由于其纯石构仿木结构，部分石构件搭接连接处的灰缝不可避免地会产生渗漏、开裂等问题，尤其是屋面灰缝的损害会进一步导致渗水，影响内部梁枋和天花，可对于较为明显和严重的部分进行修复。

5.4 屋面其他部分的修缮策略

屋面病害由于视角关系处于游客瞻仰视线之外，可选择在清理之后采用牺牲性保护措施阻止因清洁操作开放石材微孔后导致的进一步损害[6]。

光化亭总体病害较为轻微，因而复原效果与现状对比变化也会较小。建筑周边植被可以进行基本的修剪与清理，避免周边植被落叶等有机物直接落在建筑屋面，为病害发生提供有机质层。在建筑测绘的数据矢量化过程中，发现建筑几何中轴线轻微偏斜（顶端最大处小于5cm），由于光化亭为石材构件拼接而成，偏移轻微，无须对本体构件进行改动。

6 结语

由于建筑形式、高度、周边环境等因素影响，对南京中山陵光化亭进行传统建筑测绘存在一定困难，尤其是重檐屋顶部分通过传统建筑测绘方式完成数据收集有一定困难。借助无人机摄影测量技术，作者能够在不接触光化亭本体的情况下安全便捷准确地采集光化亭建筑的全方位图像信息，并以此建立点云及三维模型，事半功倍。光化亭测量的数字化表达成果对其病害现状分析则提供了准确的数据与影像，为最后保护策略的提出提供了坚实基础。

此次研究过程中采集建立的均为光化亭的外部图像资料。随着无人机可携带采集设备种类的增加，例如红外成像仪的使用，在后续研究实践中，还可以利用无人机摄影测量技术，建立更加全面的建筑遗产物理信息模型。