基于贴近摄影测量的广西古墓葬数字化采集研究.pdf

年月南宁师范大学学报(自然科学版)S e p 第 卷 第期J o u r n a l o fN a n n i n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o D O I:/j c n k i i s s n 文章编号:()基于贴近摄影测量的广西古墓葬数字化采集研究张亦汉,杨清平,黄艺平,曾彩瑶,罗旋,谭耀湛(广东财经大学文化旅游与地理学院,广东 广州 ;广西文物保护与考古研究所,广西 南宁 ;广西艺术学院,广西 南宁 )摘要:以桂林市康僖王陵为例,通过测量与分析得出贴近摄影测量的主要影响因素和最佳建模参数,再分别对康僖王陵地宫内部和外围构建实景三维模型,为不可移动文物实现数字化提供一种研究思路.结果发现:()影响贴近摄影三维建模结果的因素主要有天气、距离和重叠率等;()贴近摄影测量适宜在阴天采集数据,当拍摄距离为m,横向与纵向重叠度为 时,可获得王陵清晰模型;()康僖王陵的实景三维模型,实现了对古墓葬的数字化存档与保护,可为文物的修缮与利用提供参考;()实景三维建模文物还原度高,支持近距离观察和研究,有利于考古研究的开展.关键词:无人机;古墓葬;贴近摄影测量;实景三维模型中图分类号:T Q 文献标志码:A引 言不可移动文物由于难以复制与移动,往往需要就地保护其原貌和原有内涵.广西全区有古遗址、古墓葬、古建筑、古石刻和古岩画等类型的不可移动文物万多处,长期的风化和侵蚀等对文化遗产资源造成了不同程度的破坏,开展文物保护的数字化采集刻不容缓.其中墓葬中多有随葬的器物,从埋葬习俗与埋葬制度中可了解古时的人文风情,因此墓葬研究意义重大.受地形和交通等方面的限制,古墓葬管理难度大、保护力度不足和数据采集方法滞后,开展古墓葬数字化将有利于制定合适的管理方案、制定相应的保护措施,为不可移动文物的管理、保护及修复等提供基础信息.早期的不可移动文物数据采集常采用传统人工测图,该方法精度低、周期长、误差大,三维激光扫描技术突破了此缺陷,可快速获取地形地貌的空间坐标数据,实现更高精度的地形地质测量.倾斜摄影测量出现前,三维实景模型的构建方式主要是基于地形图和基于激光点云.田佳以数字敦煌为例,利用机载L i D A R、地面激光扫描、工业扫描仪进行三维重建和纹理映射.李核心将倾斜摄影和三维激光点云的结果进行融合,用于历史建筑测绘,绘制出相应的二维平面信息,并进行三维仿真建模.李晓斌等针对单一三维实景建模方法的弊端,提出基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模,模型精度明显提高.张松涛等为提升地形逼近度与真实感,对机载激光雷达进行研究,基于三维景观模拟设计系统,精准采集所需数据,有效提高工作效率.熊友谊、乔纪纲等通过柱面模型对鱼眼全景图像与L i D a r点云进行数据变换和H o u g h线特征提取,实现二维到三维数据的对齐.有一些学者关注更为快速获取三维模型的倾斜摄影测量技术.自 s开始,学者们开始关注倾收稿日期:基金项目:年度广西高等教育本科教学改革工程项目“一流师资建设背景下应用型高校青年教师教学能力培训体系的构建”(J GA )第一作者:张亦汉,男,副教授,研究方向为遥感与地理信息模型(z y h c o m)通信作者:杨清平,男,研究员,研究方向:考古与文化遗产保护(q q c o m)第期张亦汉,等:基于贴近摄影测量的广西古墓葬数字化采集研究 斜摄影测量技术,在北美和欧洲得到较为广泛应用,随后出现了较多类型的倾斜摄影相机与倾斜影像后处理软件.范伦 介绍了倾斜摄影三维建模的技术流程、精度影响因素、成果形式及 D标准测绘产品,讨论了其应用前景和当前存在的问题.但是采用倾斜摄影技术依然难以满足数字城市的精细化要求,而且实景三维模型的研究不足.年,张祖勋院士 创新性地提出贴近摄影测量的概念,将其应用于滑坡调查与监测、古建筑和城市的精细化重建中.连蓉和丁忆等 提出一种多尺度影像获取策略,将倾斜摄影与近景摄影相结合,构建适应于山地城市的实景三维模型,并对比分析单体化平台.贴近摄影测量可高精度还原地物状态,学者对此的研究多停留在模型构建流程等,而对其影响因素的探究不足,此外,也缺乏对室内空间模型的构建,在不可移动文物类型,特别是古墓葬的贴近摄影测量研究相对缺乏.因此,本研究以桂林市康僖王陵为例,通过实验分析得出贴近摄影测量的主要影响因素和最佳建模参数,再分别对康僖王陵地宫内部和外围构建实景三维模型,为不可移动文物实现数字化提供一种研究思路.贴近摄影测量技术基本原理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(m)对物体表面进行数据采集.该技术以物体的“面”为对象,根据三维空间任意坡度、坡向的面改变摄影机的“姿态角”,并多个角度进行拍摄.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,从而获取采集高清(亚厘米级甚至毫米级)影像.再经过摄影测量原理进行处理获取精确坐标和精细形状结构,重建精细三维模型的一种技术手段.其中,贴近摄影测量在航道规划的自助飞行基础上加上手控和手持、是在倾斜摄影测量的基础实现由粗到细的关键技术.它既可实现倾斜摄影测量技术中的大范围测绘与展示,也能够很好地克服当前大区域数字化建模过程中难以展示获取对象细节的问题.此外,在卫星定位信号良好情况下,甚至还可以实现室内外一体化建模,突破当前不可移动文物数字化中仅仅对外部结构建模的局限,真正实现不可移动文物高保真、全方位的实景模拟,为数字化考古提供一种可行的途径.图贴近摄影测量技术路线图数据采集像控点布设与测量:根据本次测区实际情况共布设了个像控点.像控点的平面坐标系统为国家 坐标系,采用高斯 克吕格三度带投影,中央经线为 度,高程系统为 国家高程基准.在测区内寻找相对稳定地面(如水泥地),将其喷绘油漆或地面特征明显处(地砖角点)作为测量标志,使华测R T K中杆对准测量中心位置,待气泡水平居中后进行控制点测量.倾斜摄影测量:采用大疆经纬M R T K旋翼无人机,搭载高清禅思P 相机,可实现 万像素全画幅低噪高感成像.作业前需要确定作业区的天气、周围环境符合起飞条件等.随后完成无人机硬件检测、旋翼的安装、电池电量等检查.在大疆经纬M R T K的手持遥控中设置规划飞行线路,为保证建模的清晰度,设置航向重叠率和旁向重叠率均为、镜头倾斜角度 度、航线高度 m,以获取 南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷高清原始影像.飞行完成后,下载影像、机载P O S和G P S数据等飞行数据,并现场检查数据质量和完整性.如数据质量有问题,需要重新飞行作业.贴近摄影测量:对于规则构筑物,可基于航迹大师软件和粗三维模型生成多样化的无人机作业航线.但鉴于测区树木较多,物体环绕作业时往往会有阻挡,因此,采用手动控制无人机飞行方式,保证 以上的照片重叠率,调整高度和角度,拍摄台阶、陵门、石像生等.由于地宫相对狭窄,因此使用体积相对小的精灵R T K无人机,从墓穴外部向内部延伸拍摄作业.数据处理数据检查.检查航摄作业的飞行质量以及所拍摄影像质量,必要时再次拟定飞行计划对局部区域进行补充或重新拍摄,特别是对于能见角度较小的区域(如屋檐下),往往需要特别注意.空三加密.采用光束法区域网联合平差的方法,对运用两种不同观测手段得到的数据进行平差,并且将像片的P O S姿态数据和控制点坐标数据作为外方位元素的初始值进行联合平差.建立实景三维模型.基于原始影像及空三成果,使用大疆智图及C o n t e x t C a p t u r eC e n t e r等内业处理软件生成三维模型数据,成果输出为o s g b、o b j等,派生数据D OM、D S M(含D EM)、数字点云等.若三维模型出现凹陷、拉花、空洞、清晰度不高等现象,则把相关影像删除,进行补拍,重建三维模型.应用实例测区概况康僖王陵位于桂林市叠彩区东南角(图),占地面积 h m,是第代靖江王朱任昌和王妃支氏的合葬墓,包括陵门、碑亭、中门、享殿、神道石作仪仗 对.神道石刻包括守门狮、勇士控马、望柱、狻猊、獬豸、麒麟、象、秉纺翁仲、左右神道碑、女侍者、男侍者.在贴近摄影测量中,需要注意测区的特殊情况,如王陵树木茂盛,规划航线困难,需灵活拍摄.阶梯坡度不一,需控制好飞行高度,以保持统一的分辨率.石生像存在拍摄死角,拍摄要考虑角度、信号和光照问题.墓穴内部环境极其昏暗,需补光.拍摄角度有限,而且容易造成曝光不均.另外,王陵内部G P S信号相对较弱,难以采用直接运用无人机飞行采集数据,因此增加多个控制点或者G P S延时方法将有助于改善精度.图康僖王陵环境影响因素分析天气因素为了测试在相同情况下,天气的影响,我们设置环境拍摄距离为 m,局部细节拍摄距离为 m,航向重叠率,旁向重叠率 时.实验表明,在不同天气作业时,对贴近摄影模型成果质量影响较大.晴天作业时,容易出现建筑物阴影,地面因光线强弱差异出现明显分界(如图上的王陵门口的阴影).此外,在反射率较高的石质物体表面(如图下的石像生)表面容易出现曝光过强,颜色不均衡,部第期张亦汉,等:基于贴近摄影测量的广西古墓葬数字化采集研究 分纹理难以分辨.然而,在阴天作业,地面、石质材质物体色泽较为统一,纹理清晰可见,模型颜色也更接近地物真实情况.在相机设定中,I S O和快门速度均对照片质量有重要影响.在相同条件下,I S O值越大,光照越强,照片越易过曝光.快门速度小则容易曝光不足呈暗色,而快门速度大则容易过曝模糊.在实验中,发现设置I S O为 和快门速度/获得的效果较佳.图不同天气作业的模型距离影响在相同的天气情况、横向重叠率和纵向重叠率()下,设置m、m和m的拍摄距离,得到模型分辨率分别为 c m、c m和 c m.随着拍摄距离的减小,模型效果逐渐变好.拍摄距离为m和m时,地物形态相对良好,但地宫门口矮墙有拉花现象,模型略显模糊,地宫内部光线昏暗,缺少关键地理信息.当拍摄距离为 m时,模型构造完整,分辨率高,地宫门口的指示牌图文清楚,树叶、枝条原样呈现,地宫内部光线良好,墙壁纹理、木床纹饰等地物信息表达完整(图).不同的相机平台能够影响距离,如相机平台P 和精灵R T K相机平台的有效像素分别为 万点和 万点.即,在更远的距离使用相机平台P 也能拍出与近距离精灵R T K相同的效果.距离主要影响的是飞行航片中的采样距离,即每个像素的实际大小,从而影响航片相幅的大小,在相同面积的作业区,距离目标距离越远,需要的照片越少,但精度越低;距离目标距离越近,精度越高,但是需要的照片越多.此外,在实验中,也发现不同的飞行速度对三维模型效果有重要影响,若飞行速度过快,导致照片重叠率低和定位数据偏移,从而影响模型建模结果.图不同拍摄距离对模型的影响重叠率在相同的天气情况和拍摄距离下,我们设置了、和 的横向重叠率和纵向重叠率.从效果上看,当横向重叠率和纵向重叠率均为 时,部分照片未参与三维重建,主要是因为当重叠率较小时,由于缺乏相应照片的控制点,地理信息不齐全,石像生纹理信息未表达,文字介绍牌匾照片未参与三维重建,呈白色块状,无边框和文字信息.当重叠率超过 时,两组实验数据均能够较好地进行模 南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷型构建.当横向、纵向重叠率均为 时,模型分辨率有所提高,石像生纹理基本清楚,文字介绍牌匾外边框基本可见,但内部文字模糊不清.横向、纵向重叠率均为 时,模型分辨率显著提高,地物信息表达完整,中间木床纹饰清晰,木床上的灰尘、地面的苔藓和沙土显而易见,墙壁砖块和两边的拱券颜色分明,纹理清晰,靠近门的石碑刻字与外围的花纹被高度还原(图).图不同重叠率的模型效果误差检查本研究对康僖王陵台阶等进行实地测量,与实景三维模型的尺寸相比较.边长大于 m称长边,小于 m称短边.长边的标准差、中误差、极限误差均大于短边,而长边的相对中误差基本小于短边.长边与短边的真误差均位于极限误差范围内,可见建模效果优异,能高度还原文物形状和体量.将康僖王陵第一、二级台阶和地宫正门口的边长的测量误差进行统计,见表至表.其可见标准差和中误差的绝对值为 ,极限误差的绝对值为 ,短边的精度可达亚厘米级,总体上精度较高.地宫正门口的误差相对较高,原因在于地宫正门口存在栏杆、矮墙、石座等复杂地物,不同地物交接处高度差不一致,此地无人机摄影测量获取地理信息的精确度不如空旷、规则、平整的台阶.表第二级台阶测量误差(长边)实测值/m模拟值/m真误差/m标准差中误差/m相对中误差极限误差/m 表第二级台阶测量误差(短边)实测值/m模拟值/m真误差/m标准差中误差/m相对中误差极限误差/m 表两级台阶、地宫正门口测量误差位置长/短边标准差中误差极限误差第二级台阶长边 第二级台阶短边 第一级台阶长边 第一级台阶短边 地宫正门口长边 第期张亦汉,等:基于贴近摄影测量的广西古墓葬数字化采集研究 成果展示在天气相对较好的条件下,通过参数率定设置合适的无人机及其相机平台获取高清的照片数据,再基于这些照片数据和位置信息数据构建空三成果,再运用大疆智图及C o n t e x t C a p t u r eC e n t e r等内业处理软件完成测区的三维模型.该模型能够获取全区的环境情景,也能够展示高清的局部细节(如图 a石像生),其表面与内侧纹理清晰,颜色真实,指示牌字迹清楚.此外,该模型能够得出具有空间坐标的王陵的实景三维模型,能够方便地进行长度与面积测量(如图 b地宫),在模型中,地宫外部树叶、石头等细节清晰可见.与其他方法对比,贴近摄影测量对康僖王陵进行实景三维建模能够展示更多的细节、实现室内外一体化建模,其效果优异.图实景三维模型成果结 语以桂林市康僖王陵为例,通过实验分析影响贴近摄影三维建模结果的主要影响因素,包括天气、距离、重叠率等,从而获取贴近摄影测量的最佳建模参数,通过实例康僖王陵地宫内部和外围构建实景三维模型,为不可移动文物实现数字化提供一种研究思路.()影响贴近摄影三维建模结果的因素中,天气主要通过光线影响曝光度和地物颜色,横向与纵向重叠率主要影响控制点的匹配和对准,距离、重叠率均对模型分辨率和精度误差有影响.()贴近摄影测量适宜在阴天采集数据,设置 m的拍摄距离,横向与纵向 的重叠度,可获得王陵内部清晰模型.()实景三维建模文物还原度高,支持近距离观察和研究.研究人员或参观人员可不必亲临现场,便可通过实景三维模型研究和发掘文物的历史信息,判断文物的历史价值.此外,该方法也非常便于实现古墓葬的数字化存档与保护,为文物的修缮提供参考.参考文献:郑晓敏,沈健,祖文迪三维激光扫描在砖结构古墓葬数字化工程中的应用J测绘通报,(S):,南竣祥,李季真,周磊,等考古发掘及出土文物的数字化技术与应用J测绘标准化,():郑贤泽,朱艳军,陶旭三维激光扫描技术在地形测量中的应用分析J城市勘测,():张光祖城市建成区高精度三维实景模型建模技术研究D淮南:安徽理工大学,田佳基于多源数据融合的三维重建研究D南昌:东华理工大学,李核心倾斜摄影和三维激光扫描技术在历史建筑三维重建中的应用J赤峰学院学报(自然科学版),():李晓斌,林志军,杨玺,等基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究J激光杂志,():张松涛,程军生基于机载激光雷达的三维景观模拟设计系统研究J激光杂志,():熊友谊,乔纪纲,张文金基于线特征的鱼眼图像与地面激光雷达点云配准J测绘通报,():黎娟,李昊燔,王伟峰基于贴近摄影测量技术的实景精细建模J测绘与空间地理信息,():,范伦无人机倾斜摄影三维建模技术及认识J测绘与空间地理信息,():南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷 言司独辟蹊径,不断创新贴近摄影测量:第三种摄影测量方式的诞生:专访武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士J中国测绘,():连蓉,丁忆,罗鼎,等倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究J测绘通报,():冯雪春基于规划分析的城市三维模型构建方法研究D辽宁阜新:辽宁工程技术大学,郑强华低空无人机空中三角测量精度分析D南昌:东华理工大学,AD i g i t a lD a t aC o l l e c t i o nS t u d yo fT o m b sB a s e do nN a p o f t h e o b j e c tP h o t o g r a mm e t r yZ HANGY i h a n,YAN GQ i n g p i n g,Z E N GC a i y a o,L UOX u a n,T ANY a o z h a n(S c h o o l o fC u l t u r e,T o u r i s ma n dG e o g r a p h y,G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s,G u a n g z h o u ,C h i n a;G u a n g x iI n s t i t u t eo fC u l t u r a lR e l i c sP r o t e c t i o na n dA r c h a e o l o g y,N a n n i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T a k e nT o m bo fK i n gK a n gX i i nG u i l i na sa ne x a m p l e,n a p o f t h e o b j e c tp h o t o g r a p h yt e c h n o l o g y i su s e dt ob u i l da Dm o d e l t oa v o i dt h ep r o b l e mi nt i l tp h o t o g r a p h y E x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t o f i n d t h eb e s t p a r a m e t e r c o m b i n a t i o n,w h i c ha r eu s e d t ob u i l da Dm o d e l i n s i d e a n do u t s i d et h e t o m b R e s u l t ss h o wt h a t:()F a c t o r s t h a tm a i n l y i n f l u e n c e Dm o d e l a r ew e a t h e r,d i s t a n c ea n do v e r l a pr a t e()C l o u d yd a yi ss u i t a b l ef o rc o l l e c t i n gd a t a A f t e rs e t t i n gd i s t a n c eo fm e t e r s,o v e r l a pr a t eo f ,c l e a r D m o d e l c a nb eo b t a i n e d()Dr e a l s c e n em o d e lo fT o m bo fK i n gK a n gX i c a np r o v i d ed i g i t c o p ya n dr e f e r e n c e f o r r e p a i rw o r k()T h eh i g hr e d u c t i o nd e g r e eo f Dr e a l s c e n em o d e lc r e a t e sc o n d i t i o n s f o ro b s e r v a t i o na n ds t u d i e s,w h i c h i sg o o df o rd e v e l o p i n ga r c h a e o l o g i c a l r e s e a r c hK e yw o r d s:UAV;a n c i e n t t o m b s;n a p o f t h e o b j e c tp h o t o g r a p h y;Dr e a l s c e n em o d e l 责任编辑:黄天放