以小型低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行大型考古遺址航測(cè)的新探索
——以赤峰遼中京遺址為例

（北京大學(xué)考古文博學(xué)院，北京 100871）

1 背景介紹

1.1 遼中京遺址概況

遼中京遺址位于今內(nèi)蒙古自治區(qū)寧城縣大明鎮(zhèn)境內(nèi)，東距縣城15 km。始建于遼圣宗統(tǒng)和二十五年（公元1007年），為遼代五京之一，是遼代中晚期的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。城址所在地為老哈河上游北岸的沖積平原，北、南、西三面環(huán)山。北有七金山，《遼史.地理志三》記載“圣宗常過(guò)七金山土河之濱，南望云氣有郛郭樓閣府庫(kù)之狀，因議建都”[1]。西有草帽山、大黑山，東南有紅廟子?xùn)|山。老哈河自西南向東北流經(jīng)城外南部平原，北小河自西向東穿城北而過(guò)（圖1）。金代以原遼中京大定府為北京，元在此先后設(shè)北京路、大寧路和武平路等行政機(jī)構(gòu)。明代在此設(shè)立大寧都指揮司（后改北平行都司），并封寧王于此，永樂(lè)后此城廢棄，逐漸辟為牧地，保持至今。

圖1 遼中京周邊自然環(huán)境圖（來(lái)源：《遼中京遺址保護(hù)規(guī)劃》，北京大學(xué)考古文博學(xué)院編制，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：徐怡濤）

遼代中京城共三重城垣：外城南北寬3 500 m，東西長(zhǎng)4 200 m；內(nèi)城在外城北部居中，東西長(zhǎng)1 900 m，南北寬1 500 m；皇城在內(nèi)城北部居中，約為邊長(zhǎng)1 000 m的正方形。金代對(duì)其延續(xù)使用，并于遼中京皇城內(nèi)增筑一小型城堡，于外城南部增筑新城垣。元末因紅巾軍入侵以及地震破壞，原遼中京北部損毀嚴(yán)重。明代于外城西南修建寧王府，此時(shí)的城市規(guī)模已大大縮減。現(xiàn)遺址區(qū)內(nèi)大部分為耕地，現(xiàn)存遼、金時(shí)期磚石塔3座及大部分城墻和若干夯土建筑遺址，地面隨處可見古代磚瓦、瓷片等遺跡、遺物（圖2）。

圖2 遼中京遺跡、遺物圖（來(lái)源：作者自攝）

遼中京居于遼代五京的地理中心，在遼王朝的政治、經(jīng)濟(jì)、文化等活動(dòng)中起到了重要的銜接作用，其地面遺存和出土文物為研究遼代政治制度、手工業(yè)發(fā)展以及文化生活方面提供了重要史料。遼中京建于奚族舊地，其興建帶有控制奚族之目的，另外，遼中京作為“澶淵之盟”后新建的都城，是遼與北宋開展雙邊交流的重要場(chǎng)所，是研究北方少數(shù)民族之間，以及契丹與漢民族交流融合的重要見證。遼中京遺址之上還疊壓有金、元、明初各代城址，文化堆積深厚，屬古今重疊型城市，為研究遼代及以后北方都城制度、建筑技藝提供了典型案例。

20世紀(jì)初，法國(guó)、日本曾對(duì)遼中京進(jìn)行了田野調(diào)查。1958年，內(nèi)蒙古文物工作隊(duì)對(duì)遼中京進(jìn)行較為詳細(xì)的田野調(diào)查，并發(fā)表調(diào)查簡(jiǎn)報(bào)。1959年4月至1960年11月，內(nèi)蒙古自治區(qū)文化局、內(nèi)蒙古文物工作隊(duì)對(duì)遼中京進(jìn)行發(fā)掘，重點(diǎn)研究了遼代的城市布局，斷定了各文化層的可靠年代以及各時(shí)代地下遺跡及遺物的埋藏和分布規(guī)律。1961年，遼中京遺址被列為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。1988年，自治區(qū)考古研究所對(duì)大明塔塔基進(jìn)行了考古發(fā)掘。2002年，自治區(qū)考古研究所對(duì)半截塔塔基和地宮進(jìn)行了考古發(fā)掘。2012年，受寧城縣委托，安徽省文保中心與北京大學(xué)考古文博學(xué)院共同編制遼中京遺址保護(hù)規(guī)劃。

遼中京屬鄉(xiāng)村型大遺址，其遺址本體長(zhǎng)期受自然與人為兩方面因素的破壞，自然破壞因素主要包括風(fēng)、水、重力、氣溫等物理要素和微生物、野生動(dòng)植物等生物要素。導(dǎo)致遼中京遺址本體存在著坍塌變形、生物損害、風(fēng)化侵蝕、流水沖蝕等病害。人為因素的破壞主要來(lái)自人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)、非法盜掘活動(dòng)等。遼中京城圈范圍內(nèi)分布有5個(gè)行政村，城內(nèi)用地除道路用地、村民住宅用地及相關(guān)設(shè)施用地外，均為農(nóng)耕用地。人們于遺址之上的建設(shè)、取土、耕作、放牧等活動(dòng)，以及消耗、排放造成的污染等，時(shí)刻威脅著遺址本體的安全；另外，由于遼中京遺址文化堆積深厚，且為開放式環(huán)境，盜掘現(xiàn)象屢禁不止，對(duì)地上遺存和地下文化堆積均造成破壞。為了對(duì)遼中京遺址進(jìn)行更好的保護(hù)、研究、開發(fā)與利用，統(tǒng)籌遺址保護(hù)與遺址地土地利用、人口調(diào)控、生態(tài)環(huán)境及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，編制遺址保護(hù)規(guī)劃便成為解決上述問(wèn)題的重要一環(huán)。

1.2 研究背景

大遺址保護(hù)規(guī)劃的編制，需要憑借多學(xué)科知識(shí)的集成[2]。其中，GIS技術(shù)與地理學(xué)的成果，可以幫助我們分析遺產(chǎn)分布環(huán)境、制定針對(duì)性的保護(hù)措施，也可以輔助、促進(jìn)考古工作。2007年頒布的《全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位保護(hù)規(guī)劃編制要求》第三條明確規(guī)定：“規(guī)劃圖紙應(yīng)繪制在近期測(cè)繪的現(xiàn)狀地形圖上，規(guī)劃圖上應(yīng)顯示出現(xiàn)狀和地形。”第二十七條也提出，符合國(guó)家勘察、測(cè)量規(guī)定的測(cè)繪圖（包括各時(shí)期的航拍、地形地貌圖等）是編制保護(hù)規(guī)劃需搜集、研究的基礎(chǔ)材料。因此，獲得一張大范圍、高精度、符合測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)的地形圖，是編制保護(hù)規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在遼中京遺址保護(hù)規(guī)劃的編制初期，由測(cè)繪部門提供的地形圖僅有城圈范圍內(nèi)的部分，無(wú)法覆蓋規(guī)劃范圍，需要予以更換。2017年3月，北京大學(xué)考古文博學(xué)院徐怡濤教授帶領(lǐng)學(xué)生再次前往遼中京遺址，根據(jù)保護(hù)規(guī)劃的實(shí)際需要，利用無(wú)人機(jī)、RTK等儀器對(duì)遼中京規(guī)劃中建控地帶范圍內(nèi)的地形圖測(cè)繪②相關(guān)報(bào)道可見北京大學(xué)考古文博學(xué)院官網(wǎng)：http://archaeology.pku.edu.cn/consultation/news/2017/4/3/1491189432883.shtml。

傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法成本高，時(shí)效性和靈活性差。隨著無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的進(jìn)步與成熟，為解決上述問(wèn)題提供了可能。無(wú)人機(jī)（unmanned aircraft）是通過(guò)搭載遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的不載人飛行器。無(wú)人機(jī)航拍，即將航空拍攝系統(tǒng)搭載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，接入遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程的航空攝像操作[3]。目前，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源勘探等領(lǐng)域。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)也引入了考古界，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與探索，利用無(wú)人機(jī)、RTK、全站儀等設(shè)備進(jìn)行高空拍照、地形測(cè)繪的工作方法已比較成熟，為考古與文化遺產(chǎn)領(lǐng)域帶來(lái)了極大便利，陜西、河南、浙江等地的大遺址保護(hù)中也已經(jīng)有了成功實(shí)踐。劉建國(guó)在《考古遺址的超低空拍攝與數(shù)據(jù)處理》[4]一文中對(duì)無(wú)人機(jī)操作、Photoscan建模等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。當(dāng)前，將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于考古工作，逐漸成為學(xué)界新的熱點(diǎn)。

2 遼中京遺址保護(hù)區(qū)劃航測(cè)工作概況

本工作以遼中京遺址為測(cè)繪對(duì)象，旨在利用攝影測(cè)量的方法，獲得遼中京遺址及周邊地區(qū)的航拍圖，用于后期的保護(hù)規(guī)劃編制，以及其他研究、存檔、監(jiān)測(cè)等工作。此次航拍區(qū)域覆蓋了遼中京遺址保護(hù)范圍及其建設(shè)控制地帶，其中，核心區(qū)的遼中京保護(hù)范圍1 930 hm2，I類建設(shè)控制地帶1 048 hm2，II類建設(shè)控制地帶 5 016 hm2，航拍區(qū)域達(dá)80 km2。

此次工作隊(duì)共由20人組成，包括指導(dǎo)教師1人、助教1人、研究生6人、本科生12人，學(xué)生分為3個(gè)工作小組；使用設(shè)備包括無(wú)人機(jī)4架、全站儀1套、RTK 1套、三維掃描1套、移動(dòng)工作站1臺(tái)，其他配套設(shè)備還有智能手機(jī)、平板電腦、單反相機(jī)等，另有汽車3輛。根據(jù)工作規(guī)劃，將整個(gè)航拍區(qū)分為3部分，分別由3組成員負(fù)責(zé)航拍，歷時(shí)7 d。

航拍工作共分為兩部分：一是前期的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；二是后期的室內(nèi)制圖。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)又包括航拍、拼合精度檢驗(yàn)、補(bǔ)飛3項(xiàng)工作，航拍主要為利用無(wú)人機(jī)、RTK等設(shè)備獲得該航拍區(qū)航片，以及部分地物坐標(biāo)。拼合檢驗(yàn)主要為現(xiàn)場(chǎng)利用Photoscan對(duì)航片進(jìn)行快速拼接，檢查航片缺漏，指導(dǎo)補(bǔ)飛。后期的室內(nèi)制圖，包括使用Photoscan、AutoCAD、Photoshop等軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪所得照片與數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得高精度的航拍區(qū)正射影像，大范圍的CAD測(cè)圖等，工作流程圖如圖3所示。

圖3 工作流程圖（來(lái)源：作者自繪）

3 制訂現(xiàn)場(chǎng)工作計(jì)劃

3.1 航拍規(guī)劃

3.1.1 航拍器的選擇

考古工作中常用的無(wú)人機(jī)一般分為專業(yè)級(jí)與消費(fèi)級(jí)兩種，本次實(shí)驗(yàn)使用的無(wú)人機(jī)均為深圳大疆公司研發(fā)的消費(fèi)級(jí)小型低成本無(wú)人機(jī)，共4種型號(hào)，分別為精靈3、精靈4、精靈4pro、御pro（表1、圖4）。

航拍器的選擇是多因素綜合考慮的結(jié)果。專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)抗風(fēng)性能好、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、拍攝功能強(qiáng)，但存在機(jī)身笨重、價(jià)格昂貴、摔機(jī)損失大、不便攜帶等問(wèn)題，并且其使用受到法律限制較多，中間環(huán)節(jié)復(fù)雜。消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)雖然續(xù)航時(shí)間很短，抗風(fēng)性與鏡頭功能也遜于專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)，但價(jià)格便宜、小巧便攜、法律限制少、使用靈活，近年來(lái)逐漸普及，更適用于日常工作。無(wú)人機(jī)的拍攝功能是航空攝影測(cè)量的基礎(chǔ)，大疆無(wú)人機(jī)自身搭載云臺(tái)相機(jī)，擁有一般數(shù)碼相機(jī)主要的拍照功能，為高精度攝影測(cè)量創(chuàng)造了條件。各型號(hào)的大疆無(wú)人機(jī)拍攝性能相近，便于統(tǒng)一的航拍規(guī)劃。

表1 大疆無(wú)人機(jī)部分參數(shù)表

圖4 大疆無(wú)人機(jī)精靈4pro組件圖（來(lái)源：作者自繪）

總體而言，選擇無(wú)人機(jī)需綜合考慮航時(shí)、成像質(zhì)量等因素，鏡頭精度低的無(wú)人機(jī)需降低飛行高度，以取得較好的測(cè)繪精度；同樣航時(shí)下，鏡頭精度低的無(wú)人機(jī)航測(cè)效率較低。無(wú)人機(jī)性能也影響了后續(xù)航拍方法的設(shè)定。圖5為本次航拍的主要工作與流程。

3.1.2 規(guī)劃航線

航線規(guī)劃，是指根據(jù)航拍對(duì)象、無(wú)人機(jī)特性和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行軌跡。一般應(yīng)首先確定航拍高度，然后確定航線形狀。遵循的原則，是以單塊電池的安全飛行時(shí)間為單位，在保證照片疊壓率以及較高精度的前提下，提高工作效率，獲得最大的航拍面積。

圖5 無(wú)人機(jī)航拍流程（來(lái)源：作者自繪）

(1)確定航拍高度。由于遼中京遺址面積巨大，為獲得較大的視域，飛機(jī)應(yīng)升至較高高度。本次航拍高度選定為300 m，大疆無(wú)人機(jī)鏡頭均為固定焦距，根據(jù)鏡頭參數(shù)及光學(xué)原理，可計(jì)算出300 m高度下，各飛機(jī)拍攝照片所覆蓋的實(shí)際尺度，以及航片的精度（表2、表3）。

通過(guò)以上測(cè)算可知，若飛機(jī)飛行高度為300 m，畫幅設(shè)定為4∶3，則精靈4與精靈4pro兩種飛機(jī)拍攝的照片實(shí)際尺度為400 m×300 m，精度8.22 cm，基本能滿足地形圖描圖的需要。此規(guī)律可以概括為“飛行高度和正投有效范圍邊長(zhǎng)的關(guān)系大致為1∶1”。精靈3的照片實(shí)際尺度偏大、精度稍低；御的照片實(shí)際尺度偏小、精度中等?？傮w來(lái)看，均能滿足地形測(cè)繪的精度要求。在實(shí)際飛行過(guò)程中，可將精靈3的實(shí)際高度稍低于300 m，御的實(shí)際高度稍高于300 m，從而保證此次航拍照片在實(shí)際尺度與精度上的相對(duì)統(tǒng)一，方便后期的拼合制圖。

表2 各型號(hào)無(wú)人機(jī)照片實(shí)際覆蓋面積測(cè)算表

表3 各型號(hào)無(wú)人機(jī)航片精度測(cè)算表

(2)設(shè)計(jì)航線形狀。飛行高度確定之后，便可開始規(guī)劃航線。航線的設(shè)計(jì)取決于單塊電池的安全續(xù)航時(shí)間和航片疊壓率。電池續(xù)航時(shí)間是無(wú)人機(jī)工作的首要限制條件，決定了無(wú)人機(jī)的飛行距離。大疆消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)單塊電池續(xù)航時(shí)間很短，僅為20～30 min。在電池剩余30%電量時(shí)系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，若不及時(shí)返航降落便有墜機(jī)危險(xiǎn)。另外飛機(jī)飛行高度越高，飛行速度越快，電池消耗越快，低溫、大風(fēng)等惡劣天氣也會(huì)加速電池消耗。因此不宜使飛機(jī)距離操控者太遠(yuǎn)。

航片疊壓率進(jìn)一步影響了航線的形狀。將拍攝模式設(shè)定為定時(shí)拍攝，拍攝間隔3 s，相鄰兩張航片保持80%的航向重疊，相鄰兩航線保持20%～30%的旁向重疊[5]。此方法目前為行業(yè)內(nèi)通行方法，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)航線，可保證航片及航帶間無(wú)空隙，從而獲得較高品質(zhì)的航片，此次遼中京航拍也據(jù)此設(shè)計(jì)航線。

本次航拍以每塊電池為單位進(jìn)行航線規(guī)劃，每次作業(yè)消耗一塊電池，獲得一小塊區(qū)域航片，相鄰區(qū)域影像做到有所重疊。根據(jù)“飛行高度和正投有效范圍邊長(zhǎng)的關(guān)系大致為1:1”的規(guī)律，并綜合電池續(xù)航時(shí)間、照片覆蓋率等控制性因素，將此次無(wú)人機(jī)單塊電池航行軌跡規(guī)劃如下“山”字形路線（圖6）。

結(jié)合測(cè)算與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，山字形航線各數(shù)據(jù)能夠保證無(wú)人機(jī)始終處于安全飛行距離，航線之間有足夠的覆蓋率，并將單塊電池的工作量發(fā)揮至最大；航線整體區(qū)塊為一矩形，便于計(jì)算面積（表4）。以上航線形狀與飛機(jī)參數(shù)均為理想情況下的飛行模式，實(shí)際飛行時(shí)由于各因素的影響，往往與規(guī)劃有所出入，但此山字形航線始終是航線規(guī)劃的基本思路，表格所列數(shù)據(jù)也發(fā)揮著控制性的作用，可作為實(shí)際航拍過(guò)程中的參考數(shù)據(jù)。

圖6 “山”字形航線圖（單位：m）（來(lái)源：作者自繪 ）

表4 部分航拍控制性參數(shù)

3.2 室外、室內(nèi)分工規(guī)劃

3.2.1 室外工作

(1)人員、設(shè)備分配。此次航拍區(qū)面積約80 km2，劃分為西、中、東3個(gè)部分，由3個(gè)小組負(fù)責(zé)完成（圖7），每組4名本科生、1～2名研究生，配1架無(wú)人機(jī)。大疆無(wú)人機(jī)每架配備3塊電池，全部用完僅需一個(gè)上午，3塊電池共可拍攝約5.4 km2，為加快工作進(jìn)度，依照每組每天飛行需用6塊電池計(jì)算，飛完全部航拍區(qū)大約需要4 d時(shí)間。一組由于工作區(qū)較大，故配給2架飛機(jī)，并適當(dāng)增加人力。

圖7 遼中京航拍區(qū)劃分圖（來(lái)源：《遼中京遺址保護(hù)規(guī)劃》，北京大學(xué)考古文博學(xué)院編制，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：徐怡濤）

(2)起飛點(diǎn)規(guī)劃。單次航線規(guī)劃完成后，還需進(jìn)行起飛點(diǎn)的規(guī)劃。此項(xiàng)規(guī)劃由各組根據(jù)負(fù)責(zé)航拍區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合“山”字形航線的規(guī)劃原則進(jìn)行，應(yīng)保證單次航區(qū)間的航片疊壓率。規(guī)劃過(guò)程中可以利用google earth、奧維瀏覽器、百度地圖等電腦或手機(jī)端軟件完成，完成后導(dǎo)入手機(jī)軟件“戶外助手”中，便于野外工作隨身攜帶（圖8）。

(3)控制點(diǎn)測(cè)量規(guī)劃。大疆無(wú)人機(jī)自身具備GPS功能，所拍航片自身附有GPS信息，導(dǎo)入Photoscan建模后能夠進(jìn)行一定的測(cè)量，但精度并不高，且容易發(fā)生錯(cuò)位。此時(shí)可借助全站儀、RTK等儀器，于航拍區(qū)測(cè)得部分控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，導(dǎo)入Photoscan，對(duì)模型進(jìn)行校正，提高攝影測(cè)量精度，并獲得準(zhǔn)確的正射影像。由于此次航拍區(qū)面積較大，航拍高度較高，為保證測(cè)量點(diǎn)的科學(xué)分布，各測(cè)量點(diǎn)之間應(yīng)有較大跨度。由于RTK具有靈活性高、測(cè)點(diǎn)不需要通視的優(yōu)點(diǎn)，因此選用RTK來(lái)進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量?？刂泣c(diǎn)應(yīng)選擇空曠且具有較為清晰的地表特征之處。

圖8 戶外助手手機(jī)軟件界面圖（來(lái)源：作者自攝）

3.2.2 室內(nèi)工作

室內(nèi)工作與室外工作同步進(jìn)行，主要內(nèi)容為討論、調(diào)度與航片拼接工作。本次航拍使用的照片建模軟件為俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的Agisoft Photoscan，該軟件可基于影像自動(dòng)生成三維模型，也稱多視點(diǎn)三維重建，它可自動(dòng)匹配由數(shù)碼設(shè)備拍攝的照片，生成被拍攝物體表面的三維點(diǎn)云及紋理，最終合成高質(zhì)量三維數(shù)字模型。完成建模后，軟件可以導(dǎo)出正攝影像、DEM數(shù)字高程模型等產(chǎn)品，再利用其他電腦軟件便可繪制平面線圖或制作等高線圖。

本次航拍使用的設(shè)備是小型低成本的無(wú)人機(jī)，此類無(wú)人機(jī)雖然在成本、便攜等方面有優(yōu)勢(shì)，但由于其續(xù)航能力不足、抗風(fēng)性能較弱等原因，在大遺址航拍中不可避免地要比專業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)飛行更多的架次。最終整個(gè)航拍區(qū)大航片的獲得即是將所有架次的航片導(dǎo)入Photoscan統(tǒng)一運(yùn)算。多架次飛行容易出現(xiàn)2個(gè)問(wèn)題：一是各架次之間出現(xiàn)缺漏；二是單塊區(qū)域的邊緣部分精度下降，這些問(wèn)題都會(huì)影響到大航片的完整度與清晰度。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，避免離開現(xiàn)場(chǎng)后折返補(bǔ)飛浪費(fèi)成本，位于航拍現(xiàn)場(chǎng)的快速拼合檢查與補(bǔ)飛尤為重要。

各組室外工作人員于當(dāng)日午休或傍晚收工之后，將飛機(jī)儲(chǔ)存卡中照片導(dǎo)出，交給室內(nèi)工作人員進(jìn)行篩選片、處理、導(dǎo)入Photoscan照片拼接等工作。各單塊區(qū)域的航片拼接完成后，再利用Photoscan的控制點(diǎn)拼合功能，將相鄰兩塊或多塊區(qū)域的航片進(jìn)行拼合，如此由小到大逐一排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺漏，從而進(jìn)行有針對(duì)性的補(bǔ)飛。Photoscan可將來(lái)自不同分組、不同架次的航片進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算，由于最終照片數(shù)量巨大，因此回到北京后，將使用臺(tái)式工作站。

4 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)

4.1 拼接

若計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力強(qiáng)且不需要得到及時(shí)成果，可以統(tǒng)一運(yùn)算各航次所得航片；若在野外只有普通運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)，且需要盡快得到成果驗(yàn)證航拍效果或進(jìn)行應(yīng)用，就需要分別計(jì)算再進(jìn)行拼合，因此需要控制拼合精度。

Photoscan可以將小塊模型自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，若自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)失敗，則可換用手動(dòng)添加標(biāo)記點(diǎn)的方式對(duì)準(zhǔn)。在利用控制點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)，時(shí)常會(huì)發(fā)生區(qū)塊高低錯(cuò)位的問(wèn)題，影響了對(duì)航拍情況的判斷，為探索控制拼合精度的方法，本文選用了大明塔的建模來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。300 m高度下的遺址平面地物起伏不明顯，不利于檢查拼合精度；大明塔為地面建筑物，高差大、細(xì)部特征多，拼合精度更為直觀，若拼合成功，則對(duì)遺址平面航片的拼合更為適用。

圖9是用精靈4pro平飛得到的遼中京博物館的總平面建模，圖10是精靈4pro繞飛大明塔的建模，現(xiàn)直接將兩個(gè)模型拼合在一起，自動(dòng)拼合的情況下兩模型出現(xiàn)明顯錯(cuò)位（圖11）。

圖9 模型1：遼中京博物館總平面模型（來(lái)源：作者自攝）

圖10 模型2：大明塔模型（來(lái)源：作者自攝）

此時(shí)可使用標(biāo)記點(diǎn)拼合法提高拼合精度。標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)選擇兩個(gè)模型的重合點(diǎn)，添加時(shí)需仔細(xì)對(duì)比，保證標(biāo)記點(diǎn)的準(zhǔn)確度。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記點(diǎn)選擇3個(gè)及以上處在同一平面的非線性排布重合點(diǎn)時(shí)，拼合精度最高；若無(wú)法滿足，則應(yīng)保證點(diǎn)與點(diǎn)之間在X、Y、Z坐標(biāo)中至少有一個(gè)數(shù)值相近或相同。

如圖12、圖13，在拼合兩模型時(shí)，共添加了6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。其中point1、2、3、4基本位于同一平面，point5、6基本位于另一個(gè)平面。選取完畢后將其拼合，得到的拼接模型如圖14，拼合較為準(zhǔn)確，未出現(xiàn)明顯位移，證明此方法有效。

遺址航片的地物以房屋、道路、農(nóng)林用地為主，在添加標(biāo)記點(diǎn)時(shí)應(yīng)同樣遵循此方法，如位于同一道路平面，或位于相似高度的屋頂之上等。

圖11 自動(dòng)對(duì)齊后的拼合情況（來(lái)源：作者自攝）

圖12 模型1的6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（來(lái)源：作者自攝）

圖13 模型2的6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（來(lái)源：作者自攝）

圖14 標(biāo)記點(diǎn)拼合后的拼合情況（來(lái)源：作者自攝）

4.2 補(bǔ)飛

經(jīng)過(guò)拼合檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)初次航拍中存在的缺漏、模糊、畸變等問(wèn)題，須靠補(bǔ)飛彌補(bǔ)。補(bǔ)飛方法與前文基本保持一致，同樣需要經(jīng)過(guò)規(guī)劃、分工、現(xiàn)場(chǎng)操作等步驟，但從實(shí)際情況來(lái)看，需補(bǔ)飛區(qū)塊的出現(xiàn)具有分散性、隨機(jī)性，故補(bǔ)飛航線的形狀需靈活制定，不局限于山字形。補(bǔ)飛結(jié)束后，再次進(jìn)行拼合檢驗(yàn)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)（表5），各組都進(jìn)行了補(bǔ)飛，補(bǔ)飛總架次占到了總架次的19.8%，所占比例較高，驗(yàn)證了補(bǔ)飛工作的必要性。一般而言，航拍面積越大，初次航拍架次越多，補(bǔ)飛的概率也更高。第一組航拍區(qū)面積最大，初次航拍架次與補(bǔ)飛架次都較多。二組、三組航拍面積基本相等，前者補(bǔ)飛架次最少，僅為3次，一定程度上表明，若初次航拍操作得當(dāng)，可有效減少補(bǔ)飛次數(shù)。

表5 各組補(bǔ)飛架次統(tǒng)計(jì)

4.3 小結(jié)

初次航拍、拼合精度檢驗(yàn)、補(bǔ)飛，構(gòu)成了小型低成本無(wú)人機(jī)野外航測(cè)工作的3項(xiàng)基本內(nèi)容。初次航拍在整個(gè)航拍工作所占比重最大，發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用；拼合精度檢驗(yàn)可以及時(shí)檢查初次航拍存在的問(wèn)題，并指導(dǎo)補(bǔ)飛，補(bǔ)飛是對(duì)初次航拍的完善，與拼合精度檢驗(yàn)同為航片質(zhì)量的保證。

前期的航拍規(guī)劃在整個(gè)航拍過(guò)程中都發(fā)揮著控制性作用，但在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，還需對(duì)規(guī)劃內(nèi)容進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以保證航拍工作的順利進(jìn)行。如圖15為二組航線的實(shí)際分布，從中可以看出，該組完成此區(qū)域航拍共起飛27架次，與計(jì)劃中日均6次、4天完成、1天補(bǔ)飛的情況相符。該組航線基本都為“山”字形，總長(zhǎng)度或增或減，航程7～8 km不等，個(gè)別航線達(dá)到9 km，規(guī)劃性與適應(yīng)性特征顯著。第15號(hào)航線形狀特殊，系補(bǔ)飛航線。

圖15 二組實(shí)際航線總體與分解圖（來(lái)源：作者自攝）

另外，人員配合問(wèn)題在整個(gè)航拍工作中至關(guān)重要，小型低成本無(wú)人機(jī)多架次飛行必然需要更多人力的投入，工作人員操作技術(shù)越嫻熟，成員間配合程度越好，則各項(xiàng)工作就越可以高效快速進(jìn)行，從而提高現(xiàn)場(chǎng)工作的質(zhì)量，減輕內(nèi)業(yè)工作負(fù)擔(dān)。

5 后期的室內(nèi)制圖

現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)過(guò)了補(bǔ)飛與拼合檢驗(yàn)，航片的完整性與疊壓率已可以保證，在計(jì)算機(jī)性能足夠的情況下，將所有航片導(dǎo)入Agisoft Photoscan便可進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算。Photoscan根據(jù)航片的GPS信息可自動(dòng)生成正射影像，導(dǎo)入RTK數(shù)據(jù)還可進(jìn)一步校正。經(jīng)過(guò)這些處理，便可導(dǎo)出整個(gè)航拍區(qū)的正射影像（圖16），將正射影像圖按照1∶1的比例導(dǎo)入Auto CAD中，便可進(jìn)行地形圖繪制。放大航片，觀察某兩小航片相交處，可見清晰度良好，并未出現(xiàn)航片邊緣地帶常見的變形、錯(cuò)位等問(wèn)題，說(shuō)明了此前總結(jié)的工作方法行之有效，驗(yàn)證了利用小型低成本無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的航拍目標(biāo)。

圖16 大航片及局部拼合示意圖（來(lái)源：作者自攝）

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，主要獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①小型低成本無(wú)人機(jī)可以廣泛應(yīng)用于各種尺度的考古遺址、文物建筑的測(cè)繪之中；②使用消費(fèi)級(jí)的小型低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空測(cè)繪時(shí)，應(yīng)根據(jù)航測(cè)面積和精度需要，確定飛行高度，飛行高度和正投有效范圍邊長(zhǎng)的關(guān)系可以1∶1估算；③通過(guò)實(shí)踐，本文歸納了小型低成本無(wú)人機(jī)進(jìn)行大遺址航測(cè)時(shí)的飛行路線控制方法和無(wú)人機(jī)操作流程；④通過(guò)實(shí)踐，本文總結(jié)了航片的拼合方法，實(shí)現(xiàn)了不同型號(hào)不同架次無(wú)人機(jī)同時(shí)與分時(shí)測(cè)繪成果間以小聚大的拼合效果。

此次航拍工作完成了既定目標(biāo)，為遼中京遺址保護(hù)規(guī)劃提供了重要資料。本文所總結(jié)的小型低成本無(wú)人機(jī)在大遺址航測(cè)中的應(yīng)用方法，有助于降低航測(cè)成本；有助于普及大遺址航測(cè)，實(shí)現(xiàn)大遺址的無(wú)人機(jī)日常監(jiān)測(cè)；有助于大遺址的綜合信息記錄和日常保護(hù)監(jiān)測(cè)等工作。

（注：本文依據(jù)北京大學(xué)考古文博學(xué)院文物建筑專業(yè)2014級(jí)本科生遼中京航測(cè)實(shí)習(xí)成果撰寫。感謝寧城縣文物局、遼中京歷史博物館對(duì)本次工作的幫助與支持。參與實(shí)習(xí)和航測(cè)、制圖學(xué)生有本科生12人：郭勉、黃楚君、邱瓊儀、施一泓、席雅卿、馬力、王藏博、楊佳帆、馬青龍、黃鑫、馬思蒙、李芃芃；研究生6人：黃青巖、王一臻、李松陽(yáng)、季宇、羅登科、陳彥運(yùn)；指導(dǎo)教師：徐怡濤；助教：尚勁宇。北京大學(xué)考古文博學(xué)院張劍葳助理教授為本文提供了指導(dǎo)和修改意見。）