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關鍵詞:紅外相機;臥龍;野生動物;監測;體會
中圖分類號:S718.6 文獻標識碼:A DOI:10.11974/nyyjs.20160332076
紅外相機已廣泛應用于自然保護區野生動物監測工作。作者結合香港特區支援四川災后重建――川港臥龍保護區持續合作SC08項目(《利用紅外相機對臥龍自然保護區熱水河溫泉附近高原野生動物行為監測研究》)開展過程中的一些經驗教訓,對運用紅外相機開展野生動物監測中出現的問題進行了梳理,并提出了針對性的建議,為更好運用紅外相機開展野生動物監測奠定了基礎。
1 臥龍自然保護區運用紅外相機概況
1.1 臥龍自然保護區概況
臥龍自然保護區成立于1963年,是以保護大熊貓等珍稀動植物和亞高山森林生態系統為主的綜合性保護區;保護區位于四川盆地西緣,阿壩藏族羌族自治州東南部,岷江上游汶川縣境內,東西長52km,南北寬62km,最高處6250m,最低處僅1150m,相對落差達5000m,屬于典型的高山峽谷地貌;地理坐標為E102°52′~103°24′、N30°45′~31°25′,總面積200000hm2;據不完全統計:轄區有高等植物217科,814屬,1898種,其中國家重點保護植物12種;區內有脊椎動物82科,450種,其中國家重點保護動物57種。此外,臥龍保護區也是我國唯一政事功能合一的自然保護區,目前保護區管理局和臥龍特別行政區(轄臥龍、耿達兩個民族鎮)實行“兩塊牌子、一套班子、合署辦公”的管理模式。
1.2 紅外相機概述
紅外相機技術是相機陷阱調查技術(camera-trapping)中的一種,是紅外觸發相機陷阱技術的簡稱;紅外相機技術是指使用紅外感應設備在無人在場操作的情況下,自動獲取野生動物圖像數據的技術與方法;這些圖像數據可用來分析野生動物的物種組成、分布、種群數量、行為和生境利用等基礎信息, 從而為野生動物保護管理和資源利用提供重要參考。紅外相機在我國野生動物保護與研究中的應用始于20世紀90年代中期,首先應用于云南高黎貢山和臺灣地區;作為一種非損傷性的取樣技術, 紅外相機正廣泛應用于我國獸類和地棲性鳥類的監測與研究,如本底資源調查、動物行為學研究、種群及群落參數估算、貓科動物專項調查等諸多方面;紅外相機技術相對于傳統監測手段而言,具有干擾小、準確性高、不間斷等諸多優點。
1.3 紅外相機在臥龍自然保護區運用概況
臥龍保護區于2005年左右就開始運用紅外相機開展野生動物調查、監測工作;初期由于紅外相機價格昂貴、數量少、像素不高、內存不足、性能不穩定等諸多原因,未能被廣泛的推廣與應用;直到2012年以后,隨著紅外相機成本的大幅度降低、新技術的大量運用,才得以廣泛推廣運用;據不完全統計臥龍保護區各部門目前共有紅外相機200余臺,主要運用在轄區大熊貓、雪豹、金絲猴、羚牛、綠尾虹雉等野生動物的監測之中,并取得了顯著的成績。如證實了雪豹在臥龍的存在,并刷新了雪豹分布區東南邊緣地帶的新紀錄。
2 紅外相機在熱水河溫泉附近野生動物監測中的幾點體會
2.1 安裝位點的選擇
紅外相機的位點選擇直接決定著監測的成效。一般來說,位點是按照公里或公頃網格隨機布設的,但在具體網格中應該根據被監測物種的生活習性來選擇相機具體安裝位點,如山脊、獸徑、水源點等動物出現幾率大的地方,以確保被監測物種最大可能的被有效拍攝到。但在實際運用中,應該因地制宜,比如在SC08項目中,因熱水河溫泉附近海拔達3400多m,幾乎都是灌叢與草甸,加之該點有羚牛等大型草食動物,增加了相機位點選擇的難度,最后在14臺相機安裝位點的選擇上,有4個安裝于獸徑兩旁的灌木上,4臺安裝于溫泉周邊壘砌的石壘中,6臺安裝在天然巖石孔隙中。結果表明:在監測周期中有3個石壘曾經被羚牛群擠垮,導致2臺相機顯示屏損毀(發生在羚牛集群舔舐溫泉期間);固定于獸徑灌木上的1臺相機因為羚牛習慣性搽癢引起相機角度的偏移,造成誤拍;固定在天然巖石孔隙中的1臺相機因為周邊橐吾等草本植物短時間快速生長,造成大量的誤拍,另外1臺因為位置偏低期間曾被大雪覆蓋;因此,在相機位點的選擇上,應該根據樣地自然生境情況,盡量尋找安全可靠的點位,最大程度上避免因植物生長、動物破壞、陽光反射、大雪覆蓋等引起的誤拍和漏拍,以提高數據的有效性和可靠性。
2.2 相機參數的設置
紅外相機作為一個儀器設備,自身具有很多參數,如靈敏度、拍攝模式、時間間隔、像素大小、閃光燈、日期、密碼設置等等,任意參數都可能直接影響到數據的可靠性。比如靈敏度過高,常會因周邊陽光反射、溫度變化等因素導致勿拍和漏拍;日期設置錯誤,可能導致數據無效甚至是分析結果錯誤等。因此,實際運用中,應該根據生境、監測物種、動物習性、監測目的以及相機自身性能等,有針對性的進行了相關參數的設置,并在使用過程中不斷修正完善;在SC08項目中,相機參數設置具體如下:靈敏度設置為中(如果是針對特別珍稀物種,如雪豹,可以設置為高)、拍攝模式為拍照+攝像、間隔為2s、攝像時長為15s、閃光燈關閉、設置保護密碼、像素為2560×1920、時間格式為月/日/年(時/分/秒)等,實踐證明此參數設置是適合該區域野生動物監測的。
2.3 電池、儲存卡的選擇
一般情況下,應該根據樣地氣候環境、動物出現頻率、種群大小、相機維護周期等綜合因素來選擇電池的種類、數量以及儲存卡(內存大小)。在SC08項目中,根據熱水河溫泉附近野生動物種類多、集群、長期大量出現,加之該地區海拔高、溫度低、濕度大,可到達性差(距離遠、沒有道路)、2個月進行1次維護等實際情況,綜合平衡后選擇了鋰電池(3組6只)、16G數據卡的搭配方案,經過近一年時間反饋的信息來看,是比較適合的。
2.4 相機的安全
紅外相機在野外常會發生丟失、損毀等安全問題,嚴重影響到了監測工作的正常開展。根據以往經驗,相機安全主要發生在這幾方面:首當其沖的是丟失――常會因藥農、獵人、放牧、穿越等人員偷盜引起,危害特別大;動物損毀――扭角羚、黑熊、金絲猴等動物會通過踩踏、擊打、等方式攻擊紅外相機,造成顯示屏、線路等破損;自然因素引起原件受損――如因防水性能不高、氣溫太低、濕度太大,造成相關電子元件不能正常工作等;除此之外還可能因大雪覆蓋、泥石流掩埋、滾石撞擊等造成損毀。相機的安全是野生動物監測工作開展的首要條件,因此在項目實施中,通過設置相機保護密碼、做些適當偽裝、挑選隱蔽位點、做好相機固定以及加大對潛在偷盜人員(主要是有可能到達這個區域并發現相機的人員,如放牧人員,提前與其進行了溝通)宣傳警戒等方式來維護相機的安全,目前取得了較為滿意的效果。
2.5 相關記錄表格的填寫
紅外相機記錄表格有比較規范的格式,其中主要包含相機坐標、方位、編號、安裝時間、天氣、小地名、生境、動物痕跡等等,所有信息都是十分重要的,直接關系到后期數據的分析提煉,務必詳細填寫。根據SC08項目的經驗,設計了相機安裝信息記錄表、相機維護記錄表、工作日志表、樣線調查記錄表以及社區調查表等5個表格,盡可能全面的收集相關信息,同時所有表格都必須在現場逐一、清晰填寫,確保其真實可靠,否則在后期很難有效利用。
2.6 數據的保存與分析
野生動物監測的目的就在于收集相關數據和資料,以便對野生動物的種類、數量、行為、消長變化、種群結構等進行有效評價,為制定更加科學的保護策略提供依據,因此所有監測數據務必妥善的保存。總的來說,紙質數據要求填寫規范、詳細,注意防潮、防霉,及時進行整理、歸檔;電子數據(圖片、視頻)務必進行備份保存,每個項目的數據最好單獨儲存(優盤或者硬盤),免得病毒交叉感染,導致無法恢復。監測要達到最終成效,數據的分析提煉就至關重要,而這恰恰是弱項,因此除了自身可以對一些常用數據,如物種種類、出現頻率、活動節律進行分析提煉外,建議加大與科研機構、大專院校的合作,利用模型或專業軟件進行深入的分析,如個體識別、行為研究、種群及群落參數估算等,以期發揮監測數據效用的最大化。
隨著科技的不斷發展,紅外相機的各項性能必將不斷得以提高,屆時紅外相機監測必將成為自然保護區的常規監測手段,在運用紅外相機開展野生動物監測工作中,要不斷總結實踐中的經驗教訓,特別是從位點的選擇、參數設置、相機安全、表格填寫、數據保存分析等方面不斷優化完善,充分發揮紅外相機在野生動物監測中的優勢,促進野生動物保護事業的更好發展。
參考文獻
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文物是國家不可再生的文化資源。文物普查是國情國力調查的重要組成部分,是確保國家歷史文化遺產安全的重要措施,是我國文化遺產保護的重要基礎工作。開展文物普查是為全面掌握不可移動文物的基本情況及其生存狀態、構建科學有效的文化遺產保護體系、落實國務院提出的2010年初步建立比較完備的我國文化遺產保護制度提供依據。開展文物普查有利于進一步繼承和弘揚中華民族優秀傳統,充分發揮文物在建設社會主義先進文化、構建和諧社會中的作用;有利于整合國土資源、促進我縣國民經濟全面、協調、可持續發展。
二、文物普查的工作目標
通過文物普查,全面掌握我縣不可移動文物的數量、分布、特征、保存現狀、環境等基本情況,為準確判斷文物保護形勢、科學制定文物保護政策和規劃提供依據;合理、準確劃定文物保護范圍,完善文物檔案管理,促進文物保護機構建設,提高文物保護管理整體水平;培養鍛煉文物保護隊伍,增強全民文化遺產保護意識;核定公布一批省、市、縣級文物保護單位,為遴選申報第六批省級文物保護單位和第七批全國重點文物保護單位打好基礎。
三、文物普查的范圍內容
第三次全國文物普查的范圍是我縣境內地上、地下、水下的不可移動文物,其中包括古遺址、古墓葬、古建筑、石窟寺及石刻、近現代重要史跡及代表性建筑和其他等六大類文物。這次我縣的文物普點將放在古遺址、古建筑及發現新的不可移動文物,同時對已登記的全縣不可移動文物,包括各級文物保護單位要進行復查。了解這些不可移動文物本體及環境的基本情況,尤其是量化指標、保存狀況和環境現狀及其變化情況。
普查登錄的內容是:每處不可移動文物的名稱、位置、地理坐標、年代、類別、數量和文物特征等基本情況;文物本體的保存情況和損毀原因;文物周邊的自然環境和人文環境現狀以及文物的所有權屬和使用管理情況等信息、資料。調查中應同時測繪文物線圖、攝制文物照片、采集文物標本以及其他相關資料,一并進行登錄。
四、普查的時間安排
按照國務院的統一部署,普查標準時間從20*年9月30日起至2011年12月結束,分三個階段進行。20*年10月至11月為普查第一階段,主要任務是確定技術標準和規范,開展培訓、試點工作;20*年12月至2009年12月為普查第二階段,主要任務是以縣域為基本單位,實地展開文物調查和信息數據登錄工作;2010年1月至2011年12月為普查第三階段,主要任務是進行調查資料的整理、匯總、數據庫建設,上報普查成果。根據市第三次全國文物普查辦的安排,我縣文物普查的實地工作將于2009年7月10正式開始,
五、普查的組織機構
一、爭取領導的重視、支持,是做好文物保護工作的關鍵
作為文物保護工作者,我們要及時向各級領導宣傳文物政策,闡明文物工作的重要性,當好領導的參謀,引起領導對文物工作的重視,通過我們自身的努力工作,使其擴大“文物”知名度,使他們了解文物,這樣才能使領導把文物工作納入議事日程。我們要引起領導重視,就是為了得到領導的大力支持,文物保護是需要花用大量資金的,領導重視了,我們的工作就好干,唯有如此,才能為文物保護工作創造一個良好的環境,以保證文物保護工作的順利進行。眾所周知,雙遼市鄭家屯博物館是在省級重點文物保護單位――吳俊升大帥府舊址的基礎上辟為博物館的。90年代初期,有人提議扒掉帥府原址建筑,蓋法院大樓,當時引起不小的轟動,很多老同志紛紛提出異議,認為這樣做不合適,把古鎮的象征都弄沒了,還算什么古鎮?可規劃已定,法院主體建筑已開始動工(當時還不是市級重點文物保護單位)。在外地看病的老縣長,時任政協主席的費國友同志回來后發現了,及時找到任縣長不久的張勇同志,張勇縣長對文物是非常重視的,當即表示除已占用的主樓以外的帥府原建筑不許動,要保護起來,這才使原法院正門及停車場工程停工,使帥府大部分舊址保存下來。張勇縣長力主把剩余的遺址建筑原貌恢復,籌建博物館??????這才有了現在的省級重點文物保護單位,有了博物館。在群眾中流傳著一句話“沒有張勇,就沒有大帥府,更沒有博物館了。”這充分體現了領導重視的重要性。
二、發動群眾、依靠群眾是做好文物保護工作的基礎
宣傳群眾是基礎,只有群眾發動起來了,提高了群眾的文物保護意識,發現文物就能及時、準確地反映給文物保護單位,我們就能及時掌握文物保護動態信息,正確做出判斷,及時采取措施,爭取領導的支持,更有效地采取保護措施,快速處置涉及文物的突發事件,這是成功的經驗。以我館所征集的兩件國家二級文物為例,在館里接到群眾傳來的信息后,立即趕赴現場將文物按住,并交了定金,回來后寫報告,直接找市領導,因為報告要領導會簽,館長首先找到了主管市長,主管市長又親自領著他直接找市長簽字,很快這兩件國家二級文物收為國家所有了,以上兩個例子充分說明,文物保護工作離不開群眾的關心,更離不開領導的支持。
三、落實“四有”保護要求,切實做好文物保護工作
(一)保護范圍和建控地帶的劃定公布是“四有”工作的一項重要內容,也是依法為文物保護單位設立保護屏障的一項重要措施。在發展社會主義市場經濟的新形式下,要使大帥府舊址免遭或少遭破壞,就必須盡快把這項措施落到實處。大帥府部分保留住了,博物館建起來了,還需不需要發展呢?整體恢復大帥府原貌的思想萌生了。在兩任館長的相繼努力下,在帥府控制地帶內的原法院大樓和原百貨四商店由雙遼市政府收購,由政府控制以防新建更高的建筑,影響帥府的整體風貌,使占用大帥府舊址的建筑由政府控制了,所有權歸政府了,這就為全面恢復大帥府原貌奠定了基礎,同時也為大帥府劃定了具體的保護范圍。目前已初步完成吳大帥府復原工程預算及可行性研究報告,正在積極向上爭取資金。
(二)與劃定公布保護范圍和建控地帶相配套,完成了文物保護標志的豎立工作,同時也做了一些標志說明牌以便引起廣大群眾的注意,喚起群眾對文物的保護意識,引導和形成他們的自覺保護行為。
(三)建立保護管理機構是對文物保護單位“四有”工作的明確要求。多年來的實踐使我們感到,沒有保護機構,就沒有組織保證,許多工作也很難落到實處。為治理大帥府周邊環境,市政府決定將收購的原百貨四商店交由文體局代為管理,根據需要可隨時拆遷。
(四)建立科學記錄檔案,提高“四有”工作水平。進入新世紀以來,我們深深感到建立高標準規范化的紙質記錄檔案確實需要,并且必須抓好,但也應該借助現代科技手段,通過實現記錄檔案的電子化儲存和管理,提升“四有”工作的水平。為此,我館配備了電腦、打印機等現代化辦公設備,將大帥府的歷史沿革、文物價值、建筑形制、結構、藝術特點等等,詳細用文字記錄、測繪圖紙、照片和錄像以及模型等記錄下來,并進行數字化處理,制成光盤,以達到長久保存、便于使用的目的。
第二條:本行政區域內的一切文物的保護和管理適用本規定。
第三條:本市各級人民政府負有保護本行政區域內文物的職責。一切單位和個人都有保護文物的義務。
第四條:*市文化局是本行政區域內的文物行政主管部門,負責本規定的實施。縣級市文化局負責保護和管理本轄區內的文物。公安、工商、規劃、國土、房管等行政管理部門和海關,依照文物保護法律、法規的規定,按各自職責協同管理。
第五條:市、縣級市文物管理委員會協助本級人民政府研究和審議文物保護管理工作的重大問題。
第六條:市、縣級市人民政府應當將文物事業費和文物基建費分別列入本級財政預算,由同級文物行政管理部門統一管理。市、縣級市每年的正常文物維修費按實際需要在城市維護費中列支。重大的考古發掘項目、文物搶救項目和大型的博物館基建項目所需經費按實際需要撥給專款。鼓勵多渠道籌措文物保護基金,支持文物事業。
第七條:市、縣級市文物行政管理部門,對具有歷史、藝術、科學價值的革命遺址、紀念建筑物、古文化遺址、古墓葬、古建筑、石窟寺、石刻等文物,需確定為市、縣級文物保護單位的,應報同級人民政府核定公布,并報上一級人民政府備案。
第八條:市、縣級市文物行政管理部門對市、縣級文物保護單位,分別劃出保護范圍,報同級人民政府批準公布。文物行政管理部門應作出標志說明,建立記錄檔案,設置專門機構或指定專人管理。全國重點文物保護單位和省級文物保護單位的保護范圍,由市人民政府劃出,報省人民政府批準公布。
第九條:在文物保護單位的保護范圍內,不得進行其他建設工程。如有特殊需要,必須經原公布的人民政府和上一級文物行政主管部門同意。在文物保護區內,不得新建影響文物風貌的建筑。
第十條:因建設工程特別需要而必須遷移、拆除已公布的各級文物保護單位,應根據文物保護單位的級別,經該級人民政府和上一級文物行政主管部門同意,全國重點文物保護單位須經省人民政府報國務院決定。遷移、拆除經人民政府登記但尚未公布的文物保護單位,須經市文物行政主管部門同意。遷移、拆除的文物保護單位,拆遷單位應詳細記錄、測繪、登記、拍照、攝像,將資料交文物行政管理部門存檔。拆除文物保護單位有文物價值的材料應交由文物管理部門保存,用于文物建筑維修,屬公房的材料,應無條件移交,屬非公房的材料則作價移交。經批準遷移的文物保護單位,建設單位應負責按原狀恢復修建,其費用由建設單位負責。
第十一條:在文物保護單位的保護范圍內拍攝影視片、拓碑文、復制文物、拍攝陳列室的文物資料,須先征得文物行政管理部門同意,并與文物保護單位的管理部門簽訂協議書,交納文物保護費。
第十二條:在市、縣級文物保護單位的建設控制地帶內修建、擴建、新建的建筑物、構筑物,其設計方案應先經同級文物行政管理部門同意后,按報建程序辦理報建手續。
第十三條:涉及各級文物保護單位的建設項目,未經該級文物行政管理部門審核,報該級人民政府批準的,建設行政管理部門不得批準建設項目和征地,土地行政管理部門不得辦理產權。
第十四條:劃定開發區或進行小區改造以及成片出讓土地涉及各級文物保護單位的,應先征詢該級文物行政管理部門的意見,制定文物保護措施,報該級人民政府批準。
第十五條:文物保護單位的維修,必須遵守不改變文物原狀的原則。市、縣級文物保護單位的維修方案須經市文物行政主管部門審批,報省文化行政管理部門備案。維修經費由使用單位負責。
第十六條:文物保護單位的使用單位,須與文物行政管理部門簽訂保護管理使用協議,負責建筑物及附屬文物的安全、保養和維修,接受文物行政管理部門的指導、檢查、監督。
第十七條:在本市行政區域內的一切考古發掘,由考古發掘單位報市文物行政主管部門依法履行報批手續后方可進行。任何單位或個人,不得擅自進行發掘。
第十八條:進行大型基本建設項目,以及在有可能埋藏文物的地帶進行中小型建設項目,建設部門應事先會同市文物行政主管部門,在工程范圍內做好文物調查和勘探工作。任何單位和個人在基本建設和生產活動中,發現古墓葬、古遺址、窖藏或其他文物的,必須立即停止施工,保護好現場,并應在二十四小時內報告文物行政管理部門處理。遇有重要發現,應立即報請省文化行政管理部門轉報國家文物行政管理部門處理。出土文物屬國家所有,由市文物行政主管部門指定的單位保管,任何單位或個人不得侵占、損壞、藏匿。
第十九條:因基本建設及生產需要進行的文物調查、勘探、發掘、遷移、拆除等所需經費,由文物行政管理部門按規定編制預算后,由建設單位列入投資計劃支出。如有新情況,按實際需要由建設單位追加預算,但由文物行政管理部門接管保護的除外.建設單位未及時支付經費的,不得施工。
第二十條:經營文物監管物品的單位和個人,須向市文物行政主管部門提出申請,經審核批準,發給《文物監管物品經營許可證》后,向工商行政管理部門申領營業執照,方可開業。
第二十一條:文物監管物品須經省文化行政管理部門鑒定,鈐蓋標志后,方準出售。經鑒定不準出售的,由國家指定的文物經營單位收購或登記造冊由收藏者保存,日后備查。
第二十二條:公安、工商行政管理部門依法沒收的文物,應全部由省文化行政管理部門出具文物鑒定書,并在結案三個月內移交市文物行政主管部門,不得自行收藏和處理。市文物行政主管部門在接收后三個月內撥給博物館收藏。海關依法沒收的文物,按法律規定處理.文物行政管理部門應派員到廢舊物資回收單位和有關冶煉企業檢查、揀選文物。所選的文物,按收購價收購,撥給博物館收藏。
第二十三條:對文物保護管理有突出貢獻者,由市、縣級市人民政府或呈報上級人民政府給予通報表揚、記功、刻碑紀念、頒發獎金等獎勵。
第二十四條:有下列行為之一者,由文物行政管理部門視情節輕重除給予批評教育、警告、限期改正、責令賠償外,并可處以二百元以上二千元以下罰款:
(一)移動、損壞文物保護標志、保護范圍界樁的;
(二)刻劃、涂污文物的;
(三)在文物保護單位保護范圍內或古文化遺址范圍內亂堆亂挖危及文物安全的;
(四)未經批準,擅自在文物保護單位保護范圍內拍攝文物、拓摹碑刻或拍攝影視片的。
第二十五條:有下列行為之一者,由文物行政管理部門或會同有關部門責令賠償損失、恢復原狀、沒收非法所得、吊銷經營許可證和營業執照,并可處以二千元以上二萬元以下罰款:
(一)在文物保護單位保護范圍內,堆放危險物品、排放污水、廢氣等,危害文物保護單位安全,破壞文物景觀,情節嚴重的;
(二)私自經營文物或文物監管物品的;
(三)擅自挖掘古遺址、古墓葬及其它地下、水下文物的;
(四)在基本建設和生產活動中發現文物時,不保護現場、不按規定報告文物行政管理部門或不上交已出土的文物,或繼續強行施工造成文物破壞的;
(五)擅自改變文物保護單位原狀,或遷移、拆除的;
(六)在文物保護單位的保護范圍內或建設控制地帶內擅自興建工程,或改變批準的設計方案的;
(七)對沒收的文物自行收藏和處理的。上述行為,應當給予治安處罰的,由公安部門按照《中華人民共和國治安管理處罰條例》處罰;構成犯罪的,由司法機關依法追究刑事責任。
第二十六條:當事人對文物行政管理部門的行政處罰決定不服的,可在接到處罰通知書之日起十五日內,向作出處罰機關的上一級機關申請復議,或直接向人民法院提訟。對復議機關的決定不服的,可在接到復議決定書之日起十五日內,向人民法院提訟。在法定期限內,當事人不申請復議,不提訟,又不履行處罰決定的,處罰機關可依法強制執行或申請人民法院強制執行。
關鍵詞:文物建筑;無人機影像;攝影測量;三維重建
在以往的文物建筑保護工作中,經常遇到因文物建筑本體周邊地形環境復雜,人的視角無法看到文物建筑本體的每個部位和細節,例如需要對古建筑屋面進行測繪或者調查殘損狀況,就需要借助梯子或周邊的高大建筑物,小型多旋翼無人機的出現就為這種情況下的工作提供了極大便利。當人自身視角受到限制時,小型多旋翼無人機攜帶相機起飛可為我們提供文物建筑本體及周邊環境的詳細影像資料。
攝影測量,是利用光學攝影機獲取的相片,經過處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關系的一門學科。在獲取文物建筑影像后,我們利用攝影測量技術分析無人機影像,為文物建筑保護工作提供支持。結合三維重建技術,實現文物建筑全面數字化的分析與建檔。此種工作方法,相比于三維激光掃描技術,具有操作簡便,外業作業效率高,內業數據處理快,模型效果更佳真實等優勢,適合在文物建筑保護工作中推廣使用。
近年來無人機技術發展迅速,從2010年到2016年,僅僅6年的時間,小型多旋翼無人機就經歷了四次技術變革。2010年至2012年多旋翼無人機集成化的飛行控制系統出現,實現了利用CPS增穩飛行,定點懸停和自主返航等功能。2012年至2014年,利用無刷電機驅動的三軸云臺和WiFi數字圖像傳輸的出現,使多旋翼無人機實現了穩定的拍攝影像,開始了真正意義上的航拍。2014年至2015年,4K相機,高清圖傳和視覺定位成為第三代多旋翼無人機的特點。進入2016年,具有環境感知,自動避障等功能以及開放SDK的第四代多旋翼無人機出現,多旋翼無人機開始進入智能時代。隨著無人航空器數量增加,相關法規也不斷完善,2013年11月18日,實施的《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》中明確,空機質量小于7公斤,飛行半徑500米以內,相對高度不超過120米的微型無人機無須證照管理,但是建議取得駕駛員合格證后持證工作,畢竟從事文物建筑保護工作中很多文物建筑地處城鎮或景區等人口稠密區域。
我們需要選擇適合于工作的無人機。電力驅動的多旋翼無人機因其飛行速度較慢,可垂直起降,可穩定懸停,對起降場地要求簡單,攜帶便捷等優勢成為我們的選擇的類型(圖1)。選定無人機類型后,我們要求工作無人機滿足以下條件。第一,具有高度安全的飛行性能,由于文物建筑保護工作不可能像考古發掘現場一樣,做到把地面人員完全撤離無人機工作區域,甚至無人機會經常在人口稠密區域工作。這就需要無人機有集成化的硬件設計,與傳統多旋翼無人機的飛控與導航系統的布局相比,具有減少故障率,使用便捷,抗干擾能力強等優勢。很多文物建筑地處山區,山區氣流復雜,需要無人機有更好的抗風性。第二,能獲取高分辨率的影像和高清圖像傳輸,因為文物建筑保護工作的嚴謹性,需要精確控制無人機飛行高清圖傳必不可少。第三,為了后續以無人機作為平臺拓展工作范圍,需要無人機具有開放的SDK(軟件開發工具包),為各種輔助軟件的配合使用奠定基礎。基于以上要求,我們選擇DJl Inspire 1多旋翼無人機作為工作平臺,云臺相機為1200萬像素,配20毫米的廣角鏡頭。
一、無人機影像在古磚塔類文物
建筑保護中的應用
古磚塔是文物建筑中一個特別的門類,由于其本身形制結構的原因,一直存在建筑本體測繪和病害調查工作難度大的問題。以往工作中,在做磚塔建筑維修設計方案前,就需要在本體周圍打滿腳手架,測繪人員才能到達塔身對塔進行測繪與病害調查。這些經歷幾百年洗禮的磚塔本身也存在結構安全問題,這種方法不僅耗費人力物力財力,而且對測繪人員的安全也存在威脅。通過遙控無人機對磚塔進行影像采集,結合攝影測量和三維重建技術,精度完全可以滿足測繪和病害調查的工作要求,取代傳統繁瑣的現場工作。
(一)控制點布設與無人機影像采集
在遙控無人機采集影像之前,要在拍攝區域的四角布設至少4個控制點,控制點地面放上標靶。標靶顏色要醒目,保證在采集的影像中能明確看到標靶中心。對標靶位置坐標進行測量,不建議使用RTK之類設備,因測量范圍較小誤差較大,不滿足建筑測繪精度的要求;而應使用電子全站儀測量,特別是使用免棱鏡方式直接瞄準控制點中心進行測量,能夠將測量精度控制在誤差3至5毫米。同時還要對布設的控制點進行方位和拍照記錄,避免后期數據處理時出現錄入錯誤。
控制無人機起飛之前,要對天氣環境進行判斷,觀察有無干擾源,每次飛行的地點距離超過10公里都要重新校準地磁,保證飛行安全是首要前提。盡量選擇在陰天進行影像采集工作,這樣能減弱晴天陽光直射下相機對磚塔的明暗部拍攝時因光照不同產生曝光量的巨大反差,明暗差距過大的照片會增加后期處理的工作量,增加軟件的運算難度。拍攝前,首先進入DJl GO軟件,校準地磁。如果在晴天采集影像,將相機調制M檔位,將相機朝向磚塔的朝陽面進行測光,以此為標準將EV值減2/3檔,當無人機對磚塔暗部拍攝時,要根據實際情況增加曝光量,如果拍攝的照片過暗,即使用軟件進行修正也會在暗部產生大量噪點,對數據處理產生影響。起飛前要對無人機飛行路線進行規劃。以河南宜陽五花寺塔為例,五花寺塔為青磚結構、八角密檐式的古塔,遙控無人機在距離塔身5米處沿五花寺塔的每個角自下而上或者自上而下垂直飛行,保持鏡頭與垂直方向呈5°的傾角對塔每層的塔身和塔檐各拍一張照片,塔的一個角拍完繼續拍攝另一個角,對于塔頂和塔剎拍攝時,鏡頭要與垂直面呈40°傾角拍攝。對塔基位置拍攝時,鏡頭也要與垂直方向呈40°傾角,并且與塔身的距離稍遠一點,這樣方便拍攝到塔身周邊的地面和預先布設的控制點標靶(圖2)。采集完成后,現場檢查采集的影像,如果塔身有沒有拍到的部分,例如塔檐的下部,可在地面上用相機補拍,確保沒有漏拍的位置。
以南頓故城北城墻為例,將影像導入AgisoftPhotoscan軟件,經過“對齊照片”“生成密集點云”“生成網格”“生成紋理”“錄入控制點坐標”等步驟完成模型的重建(圖11)。選擇“導出正射影像”,將地表表面數字高程模型導出為TIFF格式文件(圖12),將TIFF文件導入Global Mapper軟件生成帶等高線的數字表面高程模型(圖13),由于是地表表面的數字高程模型,所以城墻表面生長的植物會對等高線的精度產生影響,所以盡量選擇在冬季植物落葉后再進行影像采集,少了植物的干擾生成的數字高程模型更為準確。最后可導出CAD文件用于繪制小比例尺地形圖,應用于城墻本體的維修加固設計。
這種利用無人機影像進行土遺址本體測繪的方法,相比于傳統測繪方法,不僅效率高精度高,尤其對于一些保存狀況較差,土質疏松的土城墻遺址來說,這種方法不需要工作人員與土遺址本體接觸也避免了對本體的二次破壞。相比于三維激光掃描的測繪方法,又具有設備成本低、外業工作量小、內業數據處理快的優勢。
三、無人機影像在建筑遺產調查
及遺產監測中的應用
無人機影像在建筑遺產調查中也發揮著重要作用。近年來國家大力推進傳統村落的保護工作,要保護首先就要摸清楚傳統村落中古民居的保存現狀。以往進行古民居調研只是對單個建筑本體進行拍照,或者對單個的院落布局繪制簡單的平面圖,無法對整個傳統村落的布局和周邊環境進行把握。很多傳統村落又地處偏遠地區,缺少地形圖,整理調研資料的時候經常遇到,對一個院落做了詳細的記錄卻不清楚這個院落位于傳統村落的哪個位置。收集的資料總是碎片化的,缺少對整個傳統村落空間布局的記錄。
小店河清代民居建筑群,是中國首批傳統村落、豫北地區規模最大和原有風貌最完整的清代民居建筑群。通過與土遺址本體測繪相似的方法使用無人機影像快速獲取整個傳統村落的三維重建模型和正攝影像圖(圖14、15),使得文物建筑保護工作人員對整個村落的布局和保存狀況有了更加清晰直觀的了解,對于研究傳統村落的山水環境,選址,建筑布局提供了重要依據。同時這種方法對于整個傳統村落進行了數字化的建檔,數字三維模型所包含的信息遠比平面的照片更加豐富。
利用無人機影像建立三維模型成本低,速度快,可以定期對文物建筑進行影像采集,經過一段時間的監測,將幾次采集的影像進行三維重建后的模型進行對比,文物建筑病害殘損的發展,傳統村落古民居的消逝,土遺址的病害發展及保護措施的保護效果,遺產周邊環境的治理情況都能清晰的反映出來,為遺產監測工作提供了新的方法。
四、結語
無人機影像在文物建筑保護工作中的應用,不僅是提供更多是數據分析和參考,更是對文物建筑測繪工作方式的一種變革,改變了多年來只能靠卷尺、測距儀、手工繪圖的方法。尤其是針對磚塔類和磚石結構的文物建筑,整個建筑測繪工作的精度和效率都有了巨大進步,磚塔的測繪工作,省去了以往搭腳手架的工作程序,一次影像采集就完成了病害殘損調查,建筑測繪等多個工作任務。對土遺址本體的測繪更加精準全面,以前人無法到達的地方現在都可以清晰的展現在三維模型上,同時也減少了測繪工作對土遺址的破壞。