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文章转载自微信公众号 DPCLOUD，版权归原作者及刊载媒体所有。
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罗 飞
广西自然资源遥感院，广西 南宁 530023
文章以广西宁明花山岩画为例，基于贴近摄影测量技术来实现户外大型文物数字化，解决大型户外诸如佛窟、岩画、雕塑、古代建筑等文物高精度、三维数字化的难题，为贴近摄影测量应用于地质灾害、建筑、应急指挥、桥梁监测、智慧矿山、水利水工监测等提供参考。 文物数字化; 无人机; 贴近摄影测量; 航线规划; 三维建模; 文物保护; 宁明花山文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹，是人类宝贵的历史文化遗产。文物的数字化对文物的保护具有重要的历史和现实意义，可以拉近人们对文物的了解和欣赏的距离，也是走向公众参与教育和价值观建构、走向世界参与文明互鉴的基础[1]。然而岩画、洞窟等大型户外文物数字化的实现是困难的，一方面受限于空间障碍，另一方面受限于数字采集技术。近年来，随着无人机技术的高速发展，为实现大型户外文物数字化提供了技术支持。无人机有2项技术：一项是云台姿态控制技术。云台安装的摄像机可用于基于视觉的小型无人机目标跟踪与定位，分析无人机平移和旋转运动对目标在图像平面成像的影响，推导机体角速度与云台姿态角速度转换矩阵，设计基于运动补偿的云台控制器将无人机速度和机体角速度引入云台控制器输入，补偿因无人机运动引起的摄像机视线改变，并利用目标在图像平面的位置偏差修正摄像机跟踪误差。仿真实验表明，所设计的云台控制器可提高目标跟踪精度，减少云台抖动[2]。另一项是航测高精度定位技术，即RTK测量技术。RTK（real time kinematic）测量系统由3部分组成，即GPS接收设备、数据传输系统和实施动态测量的软件系统。RTK测量技术以载波相位观测量为根据，它能够实时获得测站点在指定坐标系中的三维定位结果，且具有厘米级的定位精度[3]。无人机的这2项技术又衍生了新的摄影测量技术——贴近摄影测量。贴近摄影测量是由武汉大学遥感信息工程学院张祖勋院士于2019年提出。贴近摄影测量被称之为区别于垂直航空摄影测量、倾斜摄影测量的第三种摄影测量方式。贴近摄影测量利用拍摄设备贴近物体表面摄影，获取（亚厘米级）高清影像，并进行摄影测量处理，从而恢复被摄对象的精确坐标和精细形状结构来重建精细三维模型，弥补了其他摄影测量无法达到的精度要求[4-5]。花山岩画地处广西崇左市宁明县左江明江河段。遗产区面积6 621 hm2，已有2 000多年历史。岩画地点分布广、作画难度大、画面雄伟壮观，为国内外罕见，具有很强的艺术价值和重要的考古科研价值。笔者运用贴近摄影测量技术来实现花山岩画的数字化。拍摄所备的硬件设备：大疆经纬M3OOR+禅思P1航测相机1套、精灵Phantom 4 RTK 1套。这2款大疆无人机具有飞控稳定、功能强大、RTK定位精确等优势。同时，为及时处理现场数据，笔者还配备了2台高性能的移动PC工作站。此次拍摄所采用的软件有大疆智图和航迹大师（WayPoint Master）。大疆智图是一款提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的 PC 应用软件，可一站式帮助用户全面提升航测内外业效率，将真实场景转化为数字资产。航迹大师（WayPoint Master）是一款针对大疆无人机倾斜摄影测量的专业级航线定制软件，特有的交叉如环绕航线、仿地航线、仿面航线、变坡航线、立面航线、Lidar航线、电力航线等可以满足多种场景需求。作业区域的崖面临江而立，崖体呈南北弧形内凹状，宽250 m，高150 m。岩画大致分布于离江面高8～35 m的白色岩体表面。江边不规则分布竹丛及高7～8 m的杂树，悬崖上有灌木和草丛，航飞条件复杂。高耸内凹的垂直崖面对无人机PGS信号的接收影响大，有可能造成无人机接收不到卫星信号导致无人机失控撞崖炸机的风险。为了安全有效地实施贴近摄影测量，作业前必须先规划一组常规的航线来获取准确的地形数据——粗模。粗模是贴近摄影测量航线规划必备的重要条件。从收集到的资料分析可知，作业区域的江面到山顶的垂直落差约240 m，因此笔者使用精灵Phantom 4 RTK设置了一个350 m航高的建图航拍工程，航向和旁向重叠度设为80 %（见图1）。 ![]( "图片1.png")
图 1 常规航线规划图
建图航拍需飞行10 min，5条航线共获取正射照片57张。航飞完成即可用移动PC工作站现场处理数据，生成DSM地表模型数据、DOM正射影像及实景三维粗模（见图2）。此次精细航线规划使用航迹大师（WayPoint Master）软件进行规划。为了更真实地展示花山岩画，笔者重建的模型分辨率为1 mm，选用大疆经纬M3OOR+禅思P1航测相机（4 500万像素）离崖面8 m等距拍摄。为了确保航飞安全又能实现模型分辨率的计划要求，笔者在现场进行了航线探测，对关键的危险航点逐一精确手控飞行探测。所有的关键点均能正常且稳定地接收到卫星信号，在消除其他的飞行安全隐患后进行航线规划。此次精细航线规划设置相机镜头俯仰角为−5°，其目的是让相机的曝光更准确，如果相机0°拍摄白色崖面容易造成图像过曝，损失细节的纹理，而将相机以−5°微俯拍摄到的画面细节更丰富，色彩也更加饱和。航迹大师（WayPoint Master）自动规划航线会根据崖面的凹凸情况计算出每个航点的准确距离，以及根据设计的航向和傍向重叠度准确地计算出曝光的时间点。大疆M300RTK无人机挂载4 500万像素的禅思P1航测相机在距离崖面8 m的正前方做自上而下的弓形自主飞行，逐帧对精美的岩画做全覆盖拍摄。规划的自动航线上窄下宽的形态完全适配崖面贴近飞行，总共设计53条航线，1 012个航点。航线速度设为1 m/s。（1）贴近航线飞行。经纬M300RTK遥控器理论上可以实现999个航点导入，为了减少遥控器的运算载荷，航迹大师（WayPoint Master）自动将航线规划成7个航线任务来完成。航线依次自上到下来执行，导出的任务文件加载到无人机遥控器便可以进行一键式智能自主飞行。面对复杂的飞行环境，在航线飞行过程中必须做好发生各种意外的准备。（2）手动补拍。此次作业受限于江边的树木，为确保飞行安全，必须避开树木等障碍物，因此手动补拍是必须进行的工作。此次手动补拍采用飞手+观察员双人组合的方式进行。飞手在观察员的安全指引下沿崖面谨慎飞行补拍。经过2天的飞行，此次共采集照片3 000余张，基本实现崖面多角度多方位全覆盖。采集到的各种数据经空三计算1 h左右完成，空三成果完整，模型生成12 h完成。生成模型的水面有漏洞和凹陷的问题，因此要进行模型修补和水面置平。此次三维重建一次通过。质量报告显示模型分辨率为1.12 mm，和航线设计的要求基本一致。整个崖面的模型完整，没有凹陷、空洞等问题，崖面影像曝光准确、光亮适中，岩画色彩丰富细腻，岩石表面细小裂缝清晰可见（见图3、图4）。此次运用贴近摄影测量技术对宁明花山岩画进行三维数字化，是大型户外文物数字化的一个全新尝试，也是目前为止对花山岩画三维数字化分辨率最高、采集面积最大、崖面结构最完整的一次。此次完成的超精细实景三维模型对文物的鉴赏及保护有重要的意义。未来贴近摄影测量将广泛地用于文物数字化及文物保护领域。华夏几千年的文明在美丽的山川大地上留下许许多多珍贵遗迹，这是人类共同的财产，需要大家共同去保护。贴近摄影测量在诸如岩画、摩崖石刻、佛窟、古寺、古塔等大型的历史遗迹进行三维数字化过程中发挥着重要的作用。贴近摄影测量在其他领域也有广泛的需求，如建筑施工、桥梁检测、水坝裂隙排查及电力行业。贴近摄影测量还存在一些不足，如受天气的影响较大、技术含量高等，无人机飞手需要具备良好的飞行操控能力，航线的规划也需要进行专业的分析。[1] 张瑞,骆岩林,周明全,等. 文物数字化的关键技术[J]. 北京师范大学学报(自然科学版),2007,43(2):150−153. [2] 李湘清,孙秀霞,彭建亮,等. 基于运动补偿的小型无人机云台控制器设计方法[J]. 系统工程与电子技术,2011,33(2):376−379. [3] 万辉,赖际舟,于明清,等. 航空摄影测量中POS系统高精度定位技术[J]. 测绘工程,2013(3):20−23, 27. [4] 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,2019(10):1−5. [5] 张保明, 龚志辉, 郭海涛. 摄影测量学[M]. 北京: 测绘出版社, 2008. 作者简介: 罗飞（1979−），男，1999年毕业于郑州测绘学校，航空摄影测量专业，主要从事航空摄影测量工作，测绘工程师。
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满铁奉天公所旧址三维模型细节
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中山广场毛主席雕像模型细节
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