歸豪域

上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 背景概況

歷史保護(hù)建筑是城鄉(xiāng)文脈及其歷史連續(xù)性的見(jiàn)證，具有不可再生的歷史、文化、科學(xué)和藝術(shù)價(jià)值。在我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，對(duì)歷史保護(hù)建筑的修復(fù)修繕?lè)闲聲r(shí)代城市化的發(fā)展需求，以用促保，可以在賦予歷史保護(hù)建筑當(dāng)代功能、發(fā)揮歷史保護(hù)建筑使用價(jià)值的同時(shí)，使歷史保護(hù)建筑與城市發(fā)展和城區(qū)生活有機(jī)融合。

由于歷史保護(hù)建筑分布分散、監(jiān)管困難、災(zāi)后復(fù)建困難、原始信息不可追溯等原因，傳統(tǒng)工程修繕?lè)椒ㄊ艿絿?yán)峻挑戰(zhàn)，必須進(jìn)行更深入透徹的研究以尋找解決對(duì)策。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)數(shù)字化技術(shù)在歷史保護(hù)建筑修繕項(xiàng)目中的應(yīng)用包括項(xiàng)目實(shí)施前期策劃、勘察檢測(cè)、修繕設(shè)計(jì)、修繕施工等多個(gè)階段，隨著數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展，政府和企業(yè)也已認(rèn)識(shí)到信息模型和信息數(shù)據(jù)庫(kù)是未來(lái)歷史保護(hù)建筑實(shí)現(xiàn)智能工程管理與智慧運(yùn)維管理的基礎(chǔ)[1-4]。本文重點(diǎn)針對(duì)基于數(shù)字化的歷史保護(hù)建筑非接觸式外立面勘察及模型快速重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)開展研究。

2 外立面勘察作業(yè)重難點(diǎn)分析

2.1 傳統(tǒng)勘察手段受限多、工期長(zhǎng)

在工程前期現(xiàn)場(chǎng)勘察及測(cè)量作業(yè)中，如采用傳統(tǒng)人工測(cè)量及拍攝記錄方式，則需先行搭設(shè)勘察腳手架，作業(yè)工期長(zhǎng)，人力、材料、工期成本巨大且效率低，勘察期間影響建筑本身的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)業(yè)主單位也將造成經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 歷史保護(hù)建筑安全性要求高

歷史保護(hù)建筑大多位于市中心核心區(qū)域，人流量較大，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的施工措施安全性要求更為嚴(yán)格，其腳手架為危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，腳手架搭設(shè)方案的制定需要對(duì)建筑物進(jìn)行全面精準(zhǔn)的實(shí)測(cè)實(shí)量，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)。

2.3 建筑外立面情況復(fù)雜，傳統(tǒng)方式測(cè)繪不全面

歷史保護(hù)建筑外立面情況復(fù)雜，涉及飾面眾多，構(gòu)件眾多，涉及損害形式眾多（臟污、龜裂、空鼓、色差、銹蝕），損壞程度也各不相同。傳統(tǒng)影像記錄無(wú)法實(shí)現(xiàn)多角度、遠(yuǎn)近搭配的復(fù)雜拍攝要求。

3 基于無(wú)人機(jī)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的非接觸式外立面勘察

由于許多歷史保護(hù)建筑始建年代久遠(yuǎn)，修繕工程中存在原設(shè)計(jì)圖紙丟失、損壞等情況，需在改造前期進(jìn)行重新勘察測(cè)繪，以確保修繕工作的順利進(jìn)行。傳統(tǒng)測(cè)量方式需在建筑外部搭設(shè)腳手架之后進(jìn)行人工測(cè)量，存在施工周期長(zhǎng)，勘測(cè)效率低下，人員投入量大，操作技術(shù)要求高、數(shù)據(jù)成果單一等諸多不足之處，只可記錄單點(diǎn)數(shù)據(jù)，容易出錯(cuò)和漏測(cè)，因數(shù)據(jù)采集不全面而導(dǎo)致返工情況時(shí)有發(fā)生。

3.1 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）實(shí)現(xiàn)無(wú)腳手架查勘和非接觸式測(cè)量。對(duì)于處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的歷史保護(hù)建筑修繕工程，施工方往往無(wú)法通過(guò)應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)場(chǎng)展開工作，而無(wú)人機(jī)作為一種新興技術(shù)不僅可以非接觸式進(jìn)行整體建筑群的查勘，不必和量測(cè)對(duì)象接觸，還可以將現(xiàn)場(chǎng)查勘部分工作提前，不占用施工周期，實(shí)現(xiàn)不搭設(shè)腳手架進(jìn)行查勘工作。

2）人工成本低。無(wú)人機(jī)技術(shù)的查勘作業(yè)僅需1～2人，經(jīng)數(shù)小時(shí)數(shù)據(jù)采集即可完成，相較傳統(tǒng)搭建腳手架方案，能夠大幅減少人工成本和測(cè)量難度。

3）測(cè)量精度高。不同于傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)需要大規(guī)模的人工實(shí)地測(cè)量，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量在曝光瞬間就能快速、精確地記錄大量信息。應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型，1∶1還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，生成包含真實(shí)尺寸信息的三維實(shí)景模型，便于項(xiàng)目技術(shù)人員進(jìn)行測(cè)量，精準(zhǔn)度高，誤差小，并且可以替代人工進(jìn)行高空勘察作業(yè)。

4）測(cè)量信息豐富。無(wú)人機(jī)攝影不但包含坐標(biāo)和尺寸信息，也可提供材質(zhì)、顏色、裂縫和破壞情況等方面信息。

3.2 設(shè)備選型

在建筑裝飾外墻施工前的勘察階段，一般選用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍及測(cè)繪工作。多旋翼無(wú)人機(jī)具有操控性強(qiáng)、可垂直起降和懸停等特點(diǎn)，由傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、決策及規(guī)劃系統(tǒng)組成，適用于低空、低速、有垂直起降和懸停要求的任務(wù)。

在建筑外墻勘測(cè)的設(shè)備選型中，應(yīng)根據(jù)不同的作業(yè)需求，選擇合適的無(wú)人機(jī)型號(hào)。拍攝小型建筑的相片及視頻影像作為資料留檔時(shí)，可選擇大疆“御”系列無(wú)人機(jī)，其具有體積小巧不占空間，機(jī)身可折疊便于攜帶等優(yōu)勢(shì)，深受外勤工作者喜愛(ài)。如需對(duì)大型建筑進(jìn)行航拍影像采集，工作量較大時(shí)，可選擇大疆“精靈”系列無(wú)人機(jī)，其續(xù)航能力強(qiáng)，抗風(fēng)性能好，可定焦、對(duì)焦。對(duì)于精度要求較高或需進(jìn)行傾斜攝影作業(yè)時(shí)，則建議選用大疆“悟”系列或“經(jīng)緯”系列無(wú)人機(jī)，其可搭載單反級(jí)別高精度鏡頭，支持雙控，可提供無(wú)損DNG格式圖片視頻，畫質(zhì)極佳，適合高精度的成果輸出。

在無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)時(shí)，可選擇手動(dòng)單點(diǎn)拍攝方式進(jìn)行細(xì)節(jié)照片專項(xiàng)拍攝、局部外立面詳勘，手動(dòng)環(huán)繞拍攝方式進(jìn)行傾斜攝影，手動(dòng)飛行拍攝方式進(jìn)行影像資料記錄，定點(diǎn)自動(dòng)全景方式進(jìn)行720°全景攝影，自動(dòng)環(huán)繞拍攝方式進(jìn)行外立面詳勘，自動(dòng)軌跡拍攝方式進(jìn)行全數(shù)外立面詳勘。

3.3 基于無(wú)人機(jī)航拍影像的非接觸式外立面查勘

以上海某歷史保護(hù)項(xiàng)目外立面保護(hù)修繕工程為例，經(jīng)無(wú)人機(jī)勘察，發(fā)現(xiàn)其鋼塔區(qū)域紫銅基層銹蝕，塔身表面污染；金飾面層變黑。外立面水刷石經(jīng)無(wú)人機(jī)勘察，發(fā)現(xiàn)其外墻、檐口、窗臺(tái)等部位的米黃色水刷石主要存在臟污、龜裂、裂縫、色差等問(wèn)題。外立面鋼窗經(jīng)無(wú)人機(jī)勘察發(fā)現(xiàn)鋼制門窗多處出現(xiàn)脫漆、銹蝕的情況，局部存在窗洞被封堵，玻璃缺失、五金件缺失。

3.4 基于720°全景交互影像的專項(xiàng)方案策劃及工程量統(tǒng)計(jì)

在歷史保護(hù)建筑六面體查勘中采用720°全景技術(shù)，對(duì)搭載高清攝像頭的無(wú)人機(jī)設(shè)定固定航線和固定飛行距離，將拍攝到的影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行影像優(yōu)化及拼接處理，通過(guò)全景播放器的矯正處理，使以某種幾何關(guān)系進(jìn)行映射生成的平面圖片成為三維立體可旋轉(zhuǎn)的全方位實(shí)景圖像，可以在最大限度保留場(chǎng)景真實(shí)性的前提下，給人以水平方向（經(jīng)度）360°和垂直方向（緯度）360°環(huán)視的效果，避免傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量中面與面交界處可能出現(xiàn)的遺漏測(cè)量、重復(fù)測(cè)量等問(wèn)題，更好地展示項(xiàng)目信息以及周邊環(huán)境信息。

針對(duì)歷史保護(hù)建筑外立面修繕工程特點(diǎn)，提前策劃應(yīng)用720°全景攝影的無(wú)人機(jī)飛行路線、拍攝距離、拍攝方式和拍攝數(shù)量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，于航攝作業(yè)開始前，對(duì)飛行路徑進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，定點(diǎn)進(jìn)行全景拍攝，如圖1所示。以5～10 m的拍攝距離，采用自動(dòng)全景＋手動(dòng)近距離拍攝相結(jié)合的方式，每處拍攝1～4張，并保證相鄰照片有不少于1/3的重疊度，使得測(cè)量圖像滿足測(cè)量目標(biāo)要求。將制作完成的全景圖片上傳到云端，方便管理人員隨時(shí)隨地查看工程現(xiàn)狀。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)置特寫點(diǎn)，并在得到的720°全景模型相應(yīng)位置增加按鈕輸入信息，實(shí)現(xiàn)全景模型的及時(shí)更新完善。

圖1 應(yīng)用于720°全景拍攝的無(wú)人機(jī)飛行路線優(yōu)化設(shè)定

通過(guò)720°全景技術(shù)在上海某歷史保護(hù)建筑修繕工程外立面勘測(cè)階段的應(yīng)用，共拍攝遠(yuǎn)景及近景特寫照片數(shù)量達(dá)到1 000余張，以此為基礎(chǔ)，形成建筑外立面720°全景圖1套，如圖2所示，可分別使用普通模式和VR模式觀看，如圖3所示。其外立面圖像信息具有完整性和連貫性。于網(wǎng)頁(yè)端對(duì)720°全景影像進(jìn)行輕量化展示，根據(jù)需要設(shè)置按鈕，可以實(shí)現(xiàn)不同角度的場(chǎng)景切換、重點(diǎn)部位的細(xì)節(jié)放大、文字信息的輸入顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)720°全景可視化及交互需求。模型基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行文件交互，對(duì)終端適應(yīng)性強(qiáng)；輕量化的可采用瓦片式加載模式的外立面模型也可減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力。

圖2 720°全景影像

圖3 VR模式全景圖

基于720°全景拍攝影像成果，結(jié)合遠(yuǎn)近景特寫照片，可確定修繕位置、修繕內(nèi)容，進(jìn)而用于制定外立面修繕?lè)桨?。結(jié)合修繕設(shè)計(jì)文本為項(xiàng)目量身定制各類修繕專項(xiàng)方案。以720°全景圖所提供的定位信息和近景照片提供的清晰的材質(zhì)紋理及色彩信息為依據(jù)，為后續(xù)小樣確認(rèn)及現(xiàn)場(chǎng)施工樣板選址提供依據(jù)。

3.5 大體量歷史保護(hù)建筑外立面模型快速重構(gòu)技術(shù)

采用小型多旋翼無(wú)人機(jī)航拍設(shè)備對(duì)建筑外立面進(jìn)行環(huán)繞手動(dòng)拍攝，對(duì)航拍影像進(jìn)行多視影像預(yù)處理后，在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差基礎(chǔ)上進(jìn)行多視影像密集匹配，從而生成高密度三維點(diǎn)云，基于點(diǎn)云構(gòu)建三角格網(wǎng)，進(jìn)行紋理映射，最終生成包含真實(shí)幾何尺寸及坐標(biāo)信息的三維傾斜攝影模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑立面大范圍、高精度、高清晰的全面感知。傾斜模型可應(yīng)用于建筑外輪廓查看、測(cè)距、相對(duì)標(biāo)高測(cè)定。輕量化的模型方便在查勘現(xiàn)場(chǎng)或施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)輕量移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)查看，實(shí)現(xiàn)歷史保護(hù)建筑外立面查勘過(guò)程的可模擬、可閱讀、可編輯、可測(cè)量、可計(jì)算和可交互。在傾斜攝影模型的基礎(chǔ)上建立腳手架三維模型，可作為后續(xù)腳手架搭設(shè)的依據(jù)。

外立面模型快速重構(gòu)和輕量化模型交互技術(shù)成果可為外立面劣化情況提取分析、修繕專項(xiàng)技術(shù)方案的編制及落地提供依據(jù)。

4 歷史保護(hù)建筑修繕施工全過(guò)程信息化數(shù)據(jù)庫(kù)

4.1 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍照片完成現(xiàn)場(chǎng)勘察，將劣化情況整理為劣化情況米字格劃分圖，建立了可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4所示。

圖4 可反映劣化情況及物理信息的交互式輕量化外立面勘察數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)施工過(guò)程中應(yīng)用外立面劣化情況數(shù)據(jù)庫(kù)，可以指導(dǎo)技術(shù)交底、施工交底，讓施工員及工人對(duì)修繕工作有具象化的認(rèn)識(shí)。同時(shí)其可提供工作量信息，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力的安排及編排施工計(jì)劃具有重大參考意義。

在運(yùn)維過(guò)程中應(yīng)用外立面劣化情況數(shù)據(jù)庫(kù)，依靠其圖像信息可直觀對(duì)比施工前后的修繕效果，可向業(yè)主及監(jiān)理展示工作成果。對(duì)內(nèi)可供計(jì)算勞務(wù)分包工作量，對(duì)外可作為項(xiàng)目結(jié)算依據(jù)。

4.2 可具象化的歷史保護(hù)建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)

結(jié)合項(xiàng)目原始藍(lán)圖及無(wú)人機(jī)航拍傾斜攝影模型，建立歷史保護(hù)建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)。技術(shù)人員對(duì)建筑情況和尺寸數(shù)據(jù)就能有更為具象化的了解，也有利于后續(xù)腳手架設(shè)計(jì)及搭建方案編制。而對(duì)于由大量異形構(gòu)件組成的構(gòu)筑物，可基于建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)其進(jìn)行模型分析、構(gòu)件拆分、編號(hào)整理、分類匯總。

在運(yùn)維過(guò)程中應(yīng)用建筑外立面信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)，基于記錄的構(gòu)件信息，有構(gòu)件發(fā)生意外損壞需更換時(shí)，場(chǎng)館運(yùn)維人員調(diào)出相應(yīng)構(gòu)件信息即可完成構(gòu)件的重新下單加工，大幅減少重復(fù)開展現(xiàn)場(chǎng)勘察、測(cè)量等作業(yè)的人力物力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究數(shù)字化技術(shù)在大型歷史保護(hù)建筑場(chǎng)館外立面不停業(yè)保護(hù)性修繕中的應(yīng)用，整體形成歷史保護(hù)建筑外立面保護(hù)修繕關(guān)鍵技術(shù)解決方案，為今后大量同類工程的順利實(shí)施和提質(zhì)增效提供一定的借鑒和示范作用，對(duì)進(jìn)一步完善上海市乃至全國(guó)歷史保護(hù)建筑修繕技術(shù)，促進(jìn)歷史保護(hù)建筑活化利用具有重大意義。通過(guò)對(duì)歷史保護(hù)建筑修繕施工全過(guò)程建立修繕信息數(shù)據(jù)庫(kù)，也可為未來(lái)歷史保護(hù)建筑實(shí)現(xiàn)智能工程管理與智慧運(yùn)維管理提供數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。