一种面向建筑遗产风险制图与安全评估的基于栅格的多传感器工作流程

《Digital Applications in Archaeology and Cultural Heritage》：A Raster-Based Multi-Sensor Workflow for Risk Mapping and Safety Assessment of Built Heritage

　　

摘要：建筑遗产，特别是位于考古遗址环境中或向公众开放的建筑，需要进行记录和解析工作，以便同时支持预防性保护和安全性评估。本文提出了一种基于栅格的多传感器工作流程，用于数字记录、病害测绘以及对历史建筑表面材料流失潜在风险的初步评估。该方法整合了基于无人机（UAV）的RGB与热成像摄影测量，以及源自正射影像、热数据和几何信息的栅格分析。RGB正射影像为基于K-Means算法的病害自动分类提供了基础，能够区分正常表面、受水分或色差影响的区域，以及材料缺失或残缺部位。热成像栅格用于识别可能与水分、渗透或表面不连续相关的局部异常。高程栅格则用于评估各现象相对于游客可到达区域高度的潜在严重程度。随后，在簇尺度上通过综合退化区域的范围、平均高度、病害类别权重以及热异常的平均强度来估算风险。由此产生的相对风险指数有助于识别关键区域并确定检查或防护措施的优先顺序。将本方法应用于一座向游客开放的历史塔楼的案例展示了该工作流程整合视觉、热成像和几何证据的能力，使其成为一种透明、可重复、面向建筑遗产风险管理的程序化方法。

引言：考古、历史和纪念性语境下的建筑遗产保护，需要一种能够整合建筑资产的物质保存与对游客、运营人员及技术人员的条件安全管理的思路（Giuffrè, 1993）。在那些向公众开放的遗址中，这种需求尤为迫切，因为劣化的表面、石质构件、灰泥层、覆层或砌筑部分可能不仅是一个保护问题，也是对通行和日常遗址管理潜在危险的隐患。在此框架下，对保存状况的了解不能被视为一种零星活动，而应被理解为一个持续的文件化、检查、监测和更新过程的一部分（Brandi, 1963；Feilden, 2003）。

保护与安全性的整合不仅是一项技术要求，也是一项法规和方法学原则。在意大利语境中，《文化遗产与景观法典》将文化遗产的保护与其公共享用并重，这意味着向文化遗址的开放应在与遗产保护和安全性相兼容的条件下进行（D.Lgs. 42/2004）。这一原则与国际古迹遗址理事会（ICOMOS）和世界遗产委员会（UNESCO）的国际建议一致，这些建议强调在考古与建筑遗产管理中需要平衡保护、可访问性与风险预防（ICOMOS, 1964；UNESCO, 2010）。特别是，ICOMOS《考古遗产保护与管理宪章》明确指出，公共访问不得危及考古遗址的安全性或完整性，并要求在必要时进行定期维护和应急处理（ICOMOS, 1990）。风险管理手册和指导方针进一步强调了危害识别、脆弱性评估和预防性规划在降低风险和支持文化遗产管理中的知情决策方面的作用（Stovel, 1998；ICCROM, 2016）。

这一问题在意大利语境中尤为重要，因为意大利拥有极其广泛和复杂的考古与建筑遗产，往往暴露于复杂的环境、人为和管理相关条件之下（Bonazza et al., 2009；Sabbioni et al., 2010）。大量的遗址、它们的地理分布范围、不规则或难以到达的表面的存在，以及有限的资金和人力资源，使得对所有资产系统性地应用详细诊断程序变得困难。因此，除了专业深入调查之外，还需要开发快速、低成本、可重复的方法，以产生有助于确定监测、检查和干预优先级的信息。文化遗产风险评估的相关文献表明，当资源有限时，初步和简化的方法对于识别需要更详细和资源密集型分析的资产或其部分尤为重要（Waller, 2003；ICCROM, 2016）。

近年来，应用于文化遗产的风险评估已逐步转向定性、半定性和定量模型，旨在支持决策过程和干预规划（Lagomarsino and Podestà, 2004；D'Ayala and Fodde, 2008）。这些模型允许将与脆弱性、暴露、危害和保存状况相关的异质信息加以组织并转化为可用于管理的类别或指数。文化遗产风险分析模型的综述表明，为可移动和不可移动遗产开发出了不同的方法，从定性程序到定量模型，其共同目标是帮助遗产管理者优先行动并更有效地分配可用资源（Waller, 2003；Dammag et al., 2024）。

在意大利语境中，"文化遗产风险图"（Carta del Rischio del Patrimonio Culturale）是整合区域数据、资产脆弱性和暴露性的一个成熟参考体系，旨在支持预防性保护和计划性维护策略（MiBAC, 2011）。这种方法基于对区域危害、文化资产的保存状况以及单个纪念物的暴露性信息的结合，使得能够在不同尺度上评估风险，从区域风险到个体和局部风险。与此同时，最近的研究强调了需要能够将定量数据、视觉观察和诊断证据转化为遗产管理者和决策者可用操作指导的工具，尤其是当风险需要在不同层级进行评估时，从整个遗址到单个建筑元素（CHARISMA, 2022；Dammag et al., 2024）。

可扩展和可持续的监测策略需求在复杂的考古遗址中尤为明显。最近对庞贝考古公园的研究强调了多尺度和多级监测方法的重要性，这些方法按照不同评估精度和时间分辨率结构化（Petti et al., 2024a）。在此视角下，无人机调查、视觉检查、基于GIS的信息系统和专家评估可以结合使用，以支持主动维护、识别关键区域，并指导资源的可持续分配（Petti et al., 2023；Zuchtriegel et al., 2024；Colace et al., 2024；Petti et al., 2024b；Aufiero et al., 2025）。这一方法与从应急性干预转向预防性和计划性维护策略的更广泛需求相一致，尤其是在受到环境退化、气候相关危害和公众密集使用的考古遗址中。

实景采集技术为解决这些需求提供了重要基础。无人机摄影测量、热成像、地面激光扫描和基于正射影像的分析能够以高几何和辐射细节记录复杂表面，即使在有限的可到达条件下（Barba et al., 2019）。然而，这些技术的操作价值不仅在于生产点云、正射影像或三维模型，还在于将这些产品转化为结构化、可查询和可更新的信息图层的能力。快速可扩展的调查工作流程也被探索用于支持历史建成环境的文档化和风险评估。基于快速摄影测量采集和GIS整合的最新研究展示了低成本、可更新的调查策略在记录建筑立面、判读保存状况和支持编制风险相关信息系统方面的潜力（Sanseverino et al., 2022）。当目标不是取代详细的诊断调查，而是为识别关键区域和优先进一步检查提供一个初步的、空间明确性的框架时，这些方法尤为重要。

本贡献定位于这一研究框架内，提出了一种基于栅格的多传感器工作流程，用于历史建筑表面的病害测绘和初步风险评估。该方法基于对摄影测量文档中获得的RGB正射影像、热成像数据和几何信息的整合，旨在针对考古遗址中的建筑遗产个体元素或局部区域产生专题地图。

本文目标不是提供崩塌可能性的绝对评估，而是构建一个用于指导检查、控制和可能缓解措施的相对优先级指数。在此意义上，所提出的工作流程被构想为预防性保护和安全管理的支持工具，尤其适用于那些需要基于相对低成本程序获取的指标和诊断数据、能够阅读和更新的地图的情况。

案例研究和保护问题：

本研究的特定聚焦对象是中世纪的Velia塔（Torre della Bruca），位于Elea-Velia卫城顶端。该塔楼主导着整个考古公园的景观，是整个建筑群中最具辨识度的元素之一。塔楼位于一片具有长期历史层积的区域，其中希腊、罗马和中世纪遗迹共存。在通往卫城的通道上分布着重要的考古建筑，包括……

整体工作流程：

所提出的方法组织为一种基于栅格的多传感器工作流程，旨在记录建筑表面、初步测绘病害并产生相对风险指数。该工作流程基于三个主要信息图层的整合：一张高分辨率RGB正射影像，用于自动分类表面状况；一个热成像栅格，用于识别可能与水分、进水或表面不连续相关的局部异常；以及……

病害测绘与诊断解释：

在生成展开的圆柱形RGB和热成像正射影像后，将两个产品进行初步对齐并重采样到公共网格上，采用热成像数据的分辨率（2.5 cm/像素）作为参考分辨率。这一操作对于确保后续基于栅格的处理步骤中不同图层之间的完全空间一致性是必要的。这样，RGB正射影像的每个像素对应一个热成像值和一个相对……

风险指数的定义：

所提出的风险评估模型基于栅格方法，旨在定义一个用于检查和缓解表面退化的相对优先级指数。与仅基于暴露、高度或退化严重程度的离散类别的定性或半定量模型不同，该方法整合了源自RGB正射影像、热成像栅格和高程栅格的空间连续信息。所有图层都被重采样到公共网格……

结果：

该工作流程的应用产生了一组栅格图层，旨在提供退化状况的综合评估并定义塔楼表面的优先级图。主要输出包括展开的圆柱形RGB正射影像、重新对齐的热成像正射影像、由K-Means分类导出的权重栅格、冷异常热成像栅格、归一化高程栅格、连续风险指数栅格和最终风险类别图……

最终的风险地图使得能够……

讨论：

所提出的工作流程展示了如何通过整合RGB无人机摄影测量、热成像和栅格分析，为建筑遗产的风险导向管理提供有效基础。在这一特定案例中，栅格信息必须源自圆柱形正射影像，这克服了与塔楼弧形几何形状相关的一些关键问题，提供了墙面的连续二维表示，并使面积和高度的一致计算成为可能……

作者贡献声明（CRediT）：

Tiziana D'Angelo：写作—审阅与编辑、资源、监督、可视化。Marco Limongiello：软件、概念化、数据整理、方法学。Luigi Petti：方法学、数据整理、验证、写作—审阅与编辑。Chiara Cammarano：项目管理、资源、可视化

未引用参考文献：CHARISMA – 文化遗产风险管理学院，2022；Lgs；UNI 11182，2006；Adamopoulos et al., 2020；Biscarini et al., 2020；Kontoudaki et al., 2025。

利益冲突声明：作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会被认为影响了本论文中所报告的工作。

致谢：作者感谢Paestum和Velia考古公园对在研究区域内开展活动的支持，并感谢其允许对中世纪Velia塔楼进行测量和记录。

Tiziana D'Angelo | Marco Limongiello | Chiara Cammarano | Luigi Petti