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天津北方網訊:剛剛從遵義回來的天津大學建築學院副教授李哲這兩週都在緊張的忙碌着,因爲除教學科研工作外,他還接手了一個更爲重要而緊急的任務:用天大自主研發的遙感無人機爲海龍屯遺址進行航拍、航測,獲取高分辨率照片與三維測繪數據。
“海龍屯很有可能將來申報成爲世界文化遺產,因爲它是中國乃至亞洲保存最完整、規模最大的土司城堡”,剛剛從遵義海龍屯考古現場回來略顯疲憊的李哲有些興奮地說,“能在我國建築遺產領域普及無人機低空測繪技術是我一直以來的夢想,如今能帶着小飛機跨越大半個中國,在海龍屯這麼遠但又非常重要的遺址進行作業,是小飛機的榮幸。”
坐落在貴州省遵義市匯川區稿坪鎮的海龍屯,建於龍巖山之巔,山勢陡峭,石階依山開鑿,據率隊於海龍屯進行考古發掘的貴州省文物考古研究所副所長李飛介紹,海龍屯“新王宮”的佔地面積超兩萬平方米,僅山後有一線窄徑可攀援而上,有一夫當關萬夫之勢。
當年,海龍屯堡爲楊姓家族所建,楊家自唐末以來稱雄本地700餘年,其間歷任29代土司。楊氏祖先利用居高地形,從南宋時期(1257年)開始營造,逐步累積成宏大的城廓規模,鼎盛時內有宮室樓閣、倉庫及水牢,外圍築土城、月城三重,屯前設銅柱、鐵柱、飛龍、飛鳳、朝天、萬安等九大關口,巧妙設計冷兵器時代的防禦與進攻,整個建築工事綿延10餘里,蔚爲壯觀。楊家倚天險而存驕兵心理,有詩爲證:“養馬城中,百萬雄師擎日月;海龍屯上,半朝天子鎮乾坤”,足見當時楊氏土司之不可一世。海龍屯堡最初的功能是抵禦元朝軍隊南侵,後楊氏後人即播州土司楊應龍反明,守關隘對峙朝廷,與朝廷開戰10餘年。1600年,明朝集結20萬軍隊分八路圍攻海龍屯堡,激戰三月,逼楊應龍自縊而結束戰事。
隨着楊氏家族灰飛煙滅,海龍屯堡由此衰落,但海龍屯也讓時間永遠地停留在了明朝,海龍屯“新王宮”定義爲“明代建築羣遺址”,李飛說,作爲“平播之役”的主戰場,海龍屯最遲修建於1257年,到今天已經有755年的歷史,規模龐大,設施完備,是研究西南地區土司制度和軍事關隘設施的重要實物資料。
李哲操縱無人直升機掠過樹梢,飛行在“新王宮”上空。1個小時內,他完成了對“新王宮”遺址及周邊部分區域的航拍。李哲說,航拍主要是爲獲取“新王宮”遺址、海龍屯大場景畫面,並結合隨後的現場GPS控制點定位工作,測繪出三維地圖。
在李哲拍攝的畫面上,從70到80米空中俯瞰海龍屯“新王宮”,猶如一座掩映在青山中的巨大城池。畫面中,遺址羣的道路系統、房屋結構和佈局等,脈絡清晰。
“雖然對海龍屯‘新王宮’已手工繪圖,腦子裏有很深印象,但空中畫面,更爲震撼,這個全景漫遊圖將作爲直觀資料幫助海龍屯申請世界文化遺產。”李飛說,尤其是航拍畫面所展示出的房屋遺址結構、佈局,是平視、想象無法展現出來的。
“讓我們感到很有成就感的是,小飛機的作用是無可取代的”李哲解釋道,“僅需2個小時的現場作業就可以獲取新王宮全貌照片和三維點雲數據,這些與完全依靠人工一點點測繪,其中耗費的時間人力物力的差別是可想而知的,小飛機的小巧輕便、耗資少且低空貼近建築拍攝等特性,也是做航拍的大飛機所不能比擬的。”據悉,海龍屯航拍當天,他帶來的是一架機身長約兩米、主翼展開1.5米的無人直升機,重12公斤,全系統價值約20萬元。
“這架飛機比早年使用的性能提高很多了。”談到小飛機時,李哲感慨地說,“這還得追溯到2003年的一次外出測繪、調研活動激發了利用無人機的靈感。”
2003年正在上研究生二年級的李哲和兩個同學到陝北對明代邊陲的軍事城堡進行調研,發現這些明代邊關城堡不僅面積大,而且蜿蜒在山地中,想要三個人在一天之內搞明白平面佈局都是非常困難的,更不要說對數十個城堡一點點進行人工測繪了,對調研來說這真是一個大難題,不過李哲小時候曾經玩過航模,“如果能用航拍的方法把整個城堡拍攝下來就好了,這樣不僅能引導地面的工作,又能夠獲得平面照片,速度還很快。”
李哲知道這個想法過於大膽,作爲學建築的,航拍離他的專業太遠了,而且當時對航測更是一無所知,並不會預見到今天無人機不僅能航拍,而且其航測功能已經成爲建築遺產保護領域最先進、效率最高的測繪手段,所以當年他只是帶着疑問從陝北迴來,並將自己稚嫩的想法告訴導師、現任天津大學建築學院黨委書記的張玉坤教授。李哲的想法很簡單:買一個翼展不到1米的泡沫玩具飛機,帶一個小攝像頭,能看到空中影像就行了,總共花費不會超過3000元。但得到的回答卻使他跨入了這個“嶄新的世界”--張書記說“要做就做專業的!”。
在這句話的支持和鼓勵下,他2004年初到處奔走聯繫請教,請到天津航模領域水平最高的趙曙光教練教他學習操縱直升機,最終讓導師花費7萬餘元購買的第一架小飛機於2004年夏天投入使用。“當時用一個承載着照相機的甲醇動力模型直升機爲河北蔚縣幾個邨堡拍攝了照片,僅此而已,沒有GPS定位,沒有自動駕駛儀,沒有數據處理方法,只有照片”,李哲說,“趙教練怕我自己遙控不好飛機,還特意到蔚縣現場指導”。雖然第一次的航拍僅收穫了鳥瞰照片,但李哲仍感到非常高興,因爲他把這張照片送給當地文物局後,當地成功申請到了“全國曆史文化名鎮”。還有一個非常高興的人,就是天津大學教授、中國科學院院士彭一剛,他稱讚“照片展現了古建築羣的美麗”,這句評價給予了李哲在夢想道路上堅持下去的信心。
8年間,李哲依靠自學掌握了航測技術、遙感考古解譯知識,完成元中都遺址遙感、四川廣源千佛崖震後航測等多個項目,使無人機低空遙感與測繪成爲遺產領域公認的最新空間信息獲取技術之一,天津大學建築學院成爲國內古建築低空測繪研究的領導者。他的小飛機不僅更新換代,擁有了機載GPS、自動駕駛儀,而且還根據專業需求,與教練合作自主設計、製造“大飛機”,例如2011年設計成功國內第一架40公斤級渦輪軸無人直升機,和現有機型相比,具有功重比高,振動小,機身強度、精度高等優點,能用紅外線探測到元中都南部存在的潛在遺址,還在全國近20個省份都有應用。據悉,該項技術擁有完整的知識產權,這使得天津大學建築學院在建築領域內的無人機低空信息採集方向位於全世界建築學院、科研機構首位。
雖然起步早,現今擁有最先進的平臺,申請多項專利,應用到幾十處重要遺產地。但是他仍然感到壓力很大,李哲坦言,“對小飛機本身性能的提升還有很多路要走”。原來,小飛機雖小,但集中了自動化、機械、建工、計算機、環境等多學科的知識,他需要不斷的吸收各種人才,構成完整的研究團隊才行,目前的發展正卡在這一個“節骨眼”上。“無人機低空信息採集”屬於典型的跨學科邊緣課題,部分相關專業的學生對這一研究方向缺乏瞭解,這給團隊建立帶來一定困難。
李哲認爲,今後還應該更鼓勵跨學科的交流和合作,其實同在工科大學,絕大部分科研工作都是具有相近甚至完全相同的研究思路,“從我的經驗來看,跨學科、專業的難度並沒有想象的那麼高。”李哲說,“我慶幸自己在天津大學,有跨學科研究的土壤可供汲取。建築學院有着國內引領學科前沿的建築學知識背景,有天大理工類各種學科的資源和優勢人才可以吸納,才使得小飛機的技術能夠發展得如此順利,有如此廣泛的應用。”
“起初學習飛行、航拍、航測、設計飛機的過程讓我感覺很難,但建立高水平團隊這一當前任務更難。”這始終讓李哲感到肩上揹負着重擔“對於科研人員來說,比別人更早發現一個新的研究方向很難,能把一個方向在國內做到最好更難,然而最難的是長期保持建築學院在這個科研方向上的先進性。”李哲最近做的最多的是在本校的相關學科尋找後備力量,“以前靠幾個人是可以,但以後的發展就需要專業的團隊了,這是一個質的飛躍,也是個艱難的轉型期,但是會堅持下去,讓小飛機的夢想一步步成真。”(通訊員王青)