马义超
(江苏航空职业技术学院,江苏 镇江 212134)
0 引言
国家文物保护法明确规定,对文物保护应当实行预防性保护、常态性保护和应急性保护相结合的保护原则。因此,古建筑病害调查是常态性保护中的重要环节,对古建筑进行病害调查是保护和维护这些具有历史、文化和艺术价值的建筑遗产。通过调查古建筑的病害情况,可以及时发现和诊断建筑物存在的问题,如裂缝、腐朽、结构松动等,进而采取相应的修复和保护措施,延长其使用寿命,确保其安全稳定。目前传统的古建筑病害调查方法主要包括目视观察、手工测量、试验分析等,传统的古建筑病害调查方法存在调查效率低下、数据精度不高、无法全面反映病害情况、无法实时监测和安全风险高等弊端。因此,需要采用新的技术手段,提高古建筑病害调查的效率和精度[1]。
近年来,倾斜摄影测量技术成为古建筑病害调查的重要手段,该技术具有高效快速、全面准确、高精度数据、实时监测和安全便捷等优势,能为古建筑保护和修复古建筑提供科学的依据。但是常规摄影测量缺乏地形自适应的摄影航线规划,拍摄的影像分辨率差异大,造成影像所构建的三维模型精度不够高,不能满足日益精细化的三维建模需求。贴近摄影测量主要是基于无人机云台及其高精度定位为技术支撑,利用无人机良好的姿势控制能力使拍摄设备近距离地(2 m～30 m)对物体表面进行数据采集。该技术以物体的“面”为对象,对古建筑物任意细节进行多角度拍摄。对于无人机无法到达的区域则进行手控和手持无人机补拍,获取采集高清(亚厘米级甚至毫米级)影像,准确反映古建筑的结构和细部情况,辅助专业技术人员及时发现和处理病害问题,为古建筑的保护和修复提供科学依据[2]。
1 整体技术流程分析
如图1所示,贴近摄影测量古建筑外业影像数据采集通常分为“粗”采集和“细”采集两个阶段。“粗”采集阶段主要采用小型无人机获取古建筑的整体外观和基本结构信息,包括建筑物的立面、屋顶、构造等。在此阶段,需要确定采集区域、飞行高度、航向等参数,并进行航拍任务规划和航线设计。通过航拍获取的影像数据,可以进行图像处理和三维重建,生成古建筑的初步三维模型和点云数据。“细”采集主要手持数码相机等,针对古建筑的细节部分进行更为精细的采集,包括建筑物的门窗、雕刻、装饰等[3]。
数据后期处理主要是将“粗”采集和“细”采集的数据融合进行建模,并对生产的实景三维模型进行精修处理,最后进行衍生数据生产。
2 项目应用
2.1 项目概况
实验测区位于山西省晋中市平遥古城内,古城建于公元827年,距今已有1 200多年的历史。古城内保留了大量的明清时期的建筑,包括府邸、宗祠、商铺、民居等,展示了中国古代城市规划和建筑艺术的独特魅力。实验测区面积约1 000 m2,主要以街道、巷道以及民居住宅为主,测区内既有城墙、城门、角楼等防御设施,又有木雕、砖雕和石雕等精美装饰,是中国传统建筑艺术的重要代表,具有典型参考价值。
2.2 外业影像数据采集
古建筑影像“粗”采集主要应用的是大疆精灵4 RTK旋翼无人机,首先,对建筑及其周围环境进行实地勘察并规划无人机的航线。根据古建筑的大小和复杂程度,确定无人机的起飞点和航线,按照预先设定的航线进行飞行,并利用搭载的相机或摄像机进行拍摄。然后手控操作执行飞行拍摄任务,获取建筑及其周围约50 m内较低分辨率影像,作为后续低精度原始数据的准备,主要以垂直向下和水平垂直两种采集方式为主,如图2所示。
“细”采集主要手持补拍设备搭载云平台,本次实验主要是“细”采集,主要应用的是佳能单反相机,以确保设备的画质和拍摄能力足够好。同时,可以根据建筑的结构和特点,选择合适的拍摄点和角度,以捕捉建筑的每个细节和特征。在拍摄时,需要手持补拍设备,走到规划好的拍摄点,进行拍摄。可以采用不同的拍摄角度和曝光参数,以获取更多的细节信息。在拍摄完成后,使用PAD对拍摄的图像进行标注和注释,以便后续的数据处理和建模[4]。
2.3 实景三维建模
实景三维建模应用的是Context Capture软件,由于“粗”“细”采集分别使用不同相机采集影像数据,需要考虑“粗”采集和“细”采集数据之间的误差与差异,以保证融合后的数据精度和一致性。因此在进行实景三维建模前首先要对不同源数据进行图像预处理,包括去除畸变、调整图像的亮度、对比度和颜色平衡等操作,以保证不同源采集的影像色彩饱和度、亮度等基本一致。再使用Context Capture软件进行图像间匹配,使用双视差算法或立体匹配算法将图像转换为稠密点云;最后进行三角网拟合和纹理映射,创建具有真实感和细节的三维模型,并对生成的三维模型进行优化,以去除不需要的杂质点、平滑表面、填补缺失的数据等操作,以提高模型的质量。测区构建实景三维模型如图3所示。
2.4 病害统计
此次共对测区68栋古建筑进行调查分析,目前病害类型主要有木雕、壁画等裂口、脱漆,占总面积的35.5%;其次是建筑物霉变和粉化,主要发生在古建筑朝阴处墙面,共发现18处;此外部分石雕文物由于户外时间长,经历风吹雨打严重也存在一定风化和沙化问题,共统计问题石雕28座,占总石雕数量的19.1%;最后古建筑砖雕(影壁)也存在一定分离剥落问题,裂隙和空鼓病害严重,影壁保存情况不容乐观,急需制定相应保护方案。这几种常见病害类型及对应位置实景三维模型如图4—图7所示。
3 病害原因分析及修缮
平遥古城有着悠久的历史文化价值和独特的建筑风貌。要进行维护修葺就要对病害机理进行分析,究其原因,在不改变整体风貌的前提下进行修缮。通过查阅资料,就平遥古城现状病害原因进行分析,并提出相关修缮意见[5]。
3.1 材料老化及修复
古建筑使用的建筑材料多为天然材料,经过长时间的风吹日晒、雨淋雪融,会逐渐老化和破损。例如,石材出现剥落和开裂、土墙受水侵蚀等。经文物管理技术人员梳理,测区共发现残损木构件70余件,对不影响结构安全的构件以修补加固为主。如图4所示,为测区某木雕部分受到虫蛀和腐朽的侵害,此外彩绘的颜色发生明显褪色、变色和脱落等问题,对局部程度较轻的破损区域进行剜补修复,对于断裂和裂缝采用支顶加固法进行修补,在裂缝处采用环氧树脂修复或使用螺栓加固。后期对整个古城古建筑装饰进行保护和修复时,需重点修复建筑的彩绘、雕刻、壁画等装饰元素,保护其原有的艺术价值和历史风貌。对于门框、窗户等的维修需要慎重处理,尽量做到不换或少换,可以将传统技艺与现代技艺结合,如竹木漆脱水,采用自然干燥法或者高分子材料渗透聚合法等进行修复。
3.2 霉变作用及修复
经实景三维模型观察后发现,测区砖墙表面泛碱问题普遍,测区几乎墙角位置都出现不同程度霉变、粉化问题。如图5所示为其中某一处墙体出现的霉变、泛碱等问题。后进行针对性分析发现,主要原因是古代建筑城墙的材料中含有较高的盐分,如石灰、石膏等,这些材料对湿度非常敏感。如果城墙周围环境湿度较高,或者城墙自身存在渗漏问题,湿气会渗入墙体内部,导致墙体潮湿,当墙体潮湿时,盐分会溶解在湿气中,随着湿气的蒸发,盐分会沉积在墙体表面,形成白色的泛碱现象,从而滋生霉菌,进而引起霉变。
针对图5等常见砖墙霉变、泛碱等问题,后期可以对含有高盐含量的城墙材料进行盐分处理,如用淡水冲洗墙体表面,将溶解在墙体内部的盐分冲洗掉,减少泛碱现象的发生。还需定期检查城墙的湿度情况,及时清除墙体表面的湿气和霉菌,保持墙体干燥,并对城墙进行防水处理,修复墙体渗漏问题。此外,由于桐油具有干燥快、防潮好、防水性强等特点,可起到胶结砖灰的作用,可对涂刷桐油的青砖墙面,在修缮完成的古建筑的青砖墙面或园墙上刷熟桐油3遍,以增强青砖墙的防潮、防水、抗风化能力。
3.3 风化、沙化及修复
经实景三维模型勘察后发现,测区石雕风化问题也较为普遍,经调查统计共发现石雕风化、沙化问题共计13处。如图6所示为一沙化的石狮,腿部出现明显沙化现象。分析后认为,石狮长期暴露在风吹雨打、日晒雨淋的环境中,容易受到氧化、紫外线、酸雨等天气因素的影响,导致石雕表面脱落、龟裂、剥落等现象。此外,一些生物如藻类、菌类等会在石雕表面生长,长期侵蚀石雕表面,导致石雕表面产生风化和沙化问题。
对图6石狮修缮时,首先需要对石狮表面进行清洗,清除石雕表面的污垢和沙尘,清洗时要注意不损伤石雕表面,可以使用低压喷水或化学清洗剂等方法。然后对石狮表面的龟裂、剥落等缺陷进行修补。修补时要选择与原材料相同的材料,采用合适的技术进行修补,以保证修复效果和持久性。最后对修复后的石狮进行防护处理,如涂刷防水涂料、石蜡等,以保护石雕表面不受自然环境和污染的影响,修复过程中要注意与原有石雕的颜色、纹理和质感相协调,使修缮后的部分与原始石雕融为一体。
3.4 失修、人为损坏及修复
平遥古城由于参观人流量较大,人为因素也是导致古建筑病害的重要原因之一。部分石构件受外力过大且外力不均匀(如撞击、坠落、踩踏等)导致局部可能出现松动、裂缝等问题,修缮时首先将损坏之处圈出研究是否为承重结构,对表层进行适当修复;如是承重结构,一定在尽量维持原貌的基础上进行加固,防止留有坍塌的危险隐患。如图7所示为测区内某处影壁出现的裂缝问题,在确定为非承重结构后,先清理影壁裂缝周围的杂物,确保表面干净,然后将填缝材料均匀地填入裂缝中,并使用刮刀或抹刀将其平整;再使用加固材料来增强修复效果;最后使用砂纸或砂轮将修复区域的表面平整,使其与周围的墙面相匹配,并选择合适的颜料进行涂刷,使修复区域与周围的影壁无明显差异。
此外,古城管理部门可以通过加固基础、增加支撑结构、补强梁柱等方式,提升古建筑的结构稳定性和抗震能力。并建立完善的管理机制、制定规范的使用规定,加强对古建筑的日常维护和保养工作,及时发现和处理病害问题。此外,加强对古建筑的宣传和教育,提高公众的保护意识,也是古建筑保护的重要方面。
4 结语
综上所述,贴近倾斜摄影测量技术为文保部门提供了一种高效、精确的方法,辅助技术人员全面掌握古建筑物的状况,及时发现和制定合理的修复方案。同时,通过对历史数据和监测数据的对比分析,可以追踪病害的发展趋势,及时采取措施进行修复和保护,延长古建筑物的寿命。
