南京城墙铭文砖数字化采集与保护方法研究

范皞（南京城墙研究会）

铭文砖数字化采集是保护我国文化遗产的重要方式，也是保护物质文化遗产的主要途径。南京作为明代两座都城之一，南京明城墙长度超过25 km，是现今世界上规模最大的古代城墙。南京城墙距今已有六百余年历史，是六朝古都“南京”的历史名片。南京明城墙两次入选《中国世界文化遗产预备名单》，南京市也成为“中国明清城墙”联合申遗牵头城市。为了进一步提高南京明城墙保护和展示水准，需要利用数字化手段对南京城墙铭文砖进行全面的分析考察，并对城墙遗产信息进行记录。

一、城墙铭文砖数字化信息采集的现状及存在的问题

（一）国内外城墙铭文砖数字化采集现状

南京城墙是我国保存最完好的明清城墙遗址，也展现出了明清时期我国都城的特点。通过对全国各地的明清城墙数字化信息采集的工作现状进行分析能够发现，国内铭文砖数字化信息采集工作尚处于初期探索阶段，国内各企业、单位都没有在南京明城墙铭文砖进行数字化采集的经验。

（二）城墙铭文砖数字化存在的困难

对《南京城墙志》中的数据进行分析得知，南京明城墙总共使用了超过3.5亿块墙砖，高度可达14-21m。随着时代的变迁，南京明城墙受到了自然风化和人为破坏，很多铭文砖上的文字正在消失。为了对南京明城墙铭文砖进行精细化管理，应该对每块铭文砖的位置进行定位，并对铭文砖上的文字和产地等信息进行记录归档，从而为南京明城墙的修复、保护提供信息支持。在南京明城墙铭文砖数字化采集过程中，对南京城墙铭文砖的特点进行分析，主要遇到以下困难：

南京城墙的城砖过多，统计所有铭文砖位置和信息的工程量巨大。

南京明城墙的铭文砖较为分散，且部分城墙高度高达20 m，对南京明城墙内外铭文砖进行三维坐标标定的难度较高。

铭文砖较为分散且城墙高度较高还导致获得清晰铭文影像资料十分困难。

（三）城墙铭文砖数字化总体思路

在进行南京城墙铭文砖数字化采集过程中，根据南京城墙的基本特征，可以无人机摄影测量技术作为核心技术，利用目前地理信息技术测绘领域中较为先进的倾斜航空摄影测量、3D 建模等技术作为辅助，进而获得南京明城墙的多维数据。同时，利用信息化技术构建南京明城墙的2D 及3D 模型，从而做到对南京明城墙的铭文砖进行定位、拍摄并对铭文砖上的文字进行记录，为接下来构建南京明城墙铭文数据库提供信息基础。

二、南京城墙铭文砖信息数字化采集技术分析

为了对南京明城墙铭文砖信息数字化采集工作中的铭文砖调查、定位、摄像、铭文记录等难点进行解决，需要根据工作需求对工作方案进行设计。在南京明城墙铭文砖信息数字化采集工作中可以运用带状倾斜航空摄影测量+近景倾斜航空摄影测量方式来对城墙及城墙内外两侧进行航拍，以此获得较为准确的定位数据，最后将带状倾斜航空摄影测量和近景倾斜航空摄影测量两种数据进行融合，构建科学合理的南京明城墙3D 模型，以此来对铭文砖相关信息进行提取收集，并为接下来的城墙修复提供模型，南京明城墙技术工艺流程图如图1所示。

图1 南京城墙铭文砖定位工作技术工艺流程图（图片来源：南京城墙研究会）

（一）无人机倾斜摄影技术

随着摄影测量的逐渐发展，测量工作对照片的清晰度、色彩的需求也日渐提高，要增加照片的清晰度，就需要降低摄影测量的高度，提高摄影测量飞行器的稳定性，因此产生了动力三角翼、多旋翼无人驾驶飞行器，以及各种倾斜摄影无人驾驶飞行器。

无人机倾斜摄影测量具备无人机测量技术和倾斜摄影测量的优点，能够实现对测绘目标的空间信息进行自动获取，具体优点如下：

无人机的倾斜摄影测量技术具备无人机应用灵活的特点，无人机能够在较为崎岖的地面进行垂直升降，无须使用辅助设备和跑道，对使用环境的要求较低，能够在野外较为复杂的地形中垂直起飞。无人机的摄影检测功能能够调整飞行高度，从而实现大面积航拍和精确航拍，满足测量工作的要求。倾斜相机是指利用在同一个航拍系统上的多个感应器，从五个不同的视角（一个垂直视角、四个斜面视角）对图像进行拍摄，从而真实地展现出测量区域的影像。使用倾斜影像技术会导致影像的前景和近景清晰度存在一定差异，为了获得建筑物等各个方面的高分辨率纹理图像，需要让航拍相机保持较高的航线和旁向重合度，一般在无人机倾斜摄影测量中需要让航线和旁向重合度均超过百分之八十，从而提高图像的纹理品质。

（二）航空影像数据获取

南京明城墙测量的工作规模较大，还要在测量工作中对铭文砖数据进行数字化采集。因此，在南京明城墙铭文砖信息采集工作中将使用无人机倾斜拍摄和近景摄影记录相结合的方法，从而获取城墙遗址中南京明城墙铭文砖的航空摄影资料。

本次的航空摄影资料通过多旋翼无人机收集，并按照技术规定，收集了与南京市明城墙台城段的垂直方向、左下视30°、右下视30°、中下视30°、后下视30°等五个角度的飞行视频资料。

为方便内业人员进行铭文砖数据的检索、定位工作，需要利用清晰文砖图像构建3D 模型。在实践工作中，利用无人机、高分辨率相机等设备近距离拍摄南京明城墙外立面不同高度的近景图像信息。

为了清晰识别南京明城墙外立面铭文砖和普通城砖，需要保证南京明城墙外立面图像的分辨率超过0.5 cm。利用扫街式拍摄方法，收集南京明城墙外立面不同位置有重叠点的图像信息并为3D模型构建基础数据。

（三）建立精细南京明城墙3D 模型

建立精细南京明城墙3D 模型工作主要在第三方应用程序中完成，将包含位置信号的倾斜航空影像信息和近景图像数据输入数据处理程序，并通过混合空三加密技术，对图像外的位置因素进行调整，将两个图像进行密集匹配，从而构建出高质量的南京明城墙3D 模型，展现出南京明城墙的纹理细节。

在本次数字化采集和保护实施过程中，主要利用Smart3D 软件技术对南京明城墙3D 模型进行制作。将混合空三加密成果输入Smart3D 软件系统中，从而形成立体像对，再利用多视图像密集匹配技术得到城墙高密度3D 点云，根据设定的优先等级对3D 点云进行分割，从而形成各种层次细节度不规则的三角网模式，再对三角网进行调整，从而得到带白模的三维建模。然后再利用倾斜摄影和近景影像技术获得对应位置相应的纹理信号，将纹理信号投射到相应模式的三角面片上，再进行纹理贴附，最后得到了纹路清晰真实的南京明城墙3D 模型。根据评价，南京明城墙3D 模型的平面精度中误差为0.128 m，高程精度中误差为0.221 m，满足项目要求。

（四）铭文砖信息获取

南京城墙铭文砖数据采集的功能，主要分为砖文清晰图像采集、铭文砖三维定位坐标测量和铭文砖尺寸数据测量。

（五）铭文砖照片采集

在南京城墙本体铭文城砖图像收集过程中，应该按照雉堞、矮墙、城垣走道、墙体两侧的顺序进行拍摄收集作业。对南京明城墙两侧拍摄难度较大的城砖，可以采用高清晰摄像机和航空飞行器对图片进行拍摄收集。本次南京城墙铭文砖图像采集工作最大的难点是，南京明城墙中城砖数量众多，找出城砖中的铭文砖较难。

在南京城墙铭文城砖图像收集工作中最常规的工作方法是利用望远镜等仪器在墙壁上逐个搜寻，并对位置进行记录，再按照位置记录进行逐一拍摄。南京城墙本体铭文城砖图像人工收集速度较慢，且存在遗漏的可能。在南京城墙本体铭文城砖图像收集过程中，一般采取“内业检查寻找—记录编码—外业摄影”的工艺过程，即使用精密3D 建模工具，制作建筑外立面模型，由内业人员在建筑外立面模板上寻找带有碑文的铭文砖，并对铭文砖加以编码、记录，打印砖文标识图案，提交给外业人员，然后外业人员根据内业数据对对应的铭文砖进行拍摄。

铭文砖空间位置坐标和尺寸信息提取，主要是根据精细三维建模结果，并根据铭文砖编码，收集与铭文砖编码一一对应的铭文砖位置信息。不仅如此，还可以从三维建模上直接量取字砖的尺寸信息。

三、南京城墙铭文砖信息数字化采集成果与分析

目前，已经完成了对南京城墙铭文砖信息项目（一期）、（二期）的实施。收集了包括从神策门至中山门约9 km，共46388 块铭文砖的数字化信息。

将后期预压的文字砖空间定位坐标信息和经过实地测量的铭文砖的砖长度数据作为真值，以3D 模型读取的铭文砖中心线位置信息及其在模型上量取的铭文砖长度信息作为测量值，通过统计真值和测量值之间的误差，能够得到铭文砖位置信息的精确度。铭文砖位置在三维模型平面中误差为0.128 m，高程中误差为0.221 m，字砖通长中误差为0.024 m，字砖通宽中误差为0.024 m，精度统计情况见表1。

表1 铭文砖成果空间位置信息的精度统计表(表格来源：南京城墙研究会)

与常规的数据统计方式相比，此次引入的数字化采集技术手段，将原来海量的外业工作转化为内业任务，从而减少了外业工作。同时，全新的数字化采集方式也提高了铭文砖的数据采集质量，极大程度地减少了砖文的误采量，并提高了铭文砖数字化数据采集效率。图2为城墙铭文砖数字化采集中实景三维建模技术与传统测量方法效率的对比分析。

图2 城墙铭文砖数字化采集方法效率对比分析(图片来源：南京城墙研究会)

四、结束语

综上所述，通过利用无人机倾斜拍摄、3D 模拟等新技术，能够制定出比较合理的南京城墙铭文砖数字化采集工艺流程，很大程度上提高了对城墙上铭文砖数字化收集的质量和准确度。南京明城墙铭文砖的信息收集任务是一项相当重要、难度又相当大的工作，在日后的研究工作中应该继续对数字化信息采集方式进行研究，利用自动化智能AI 取代人力搜索工作，进一步增加智能化、自动化的水平，减少人工工作量，提升铭文砖数字化质量。