無人機傾斜攝影測量技術(shù)在文物保護修復(fù)工程的應(yīng)用

茍彥梅 吳凱諾

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

【關(guān)鍵字】傾斜攝影測量；航線設(shè)計方案；實景三維模型

0 引言

傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建文物的實景三維模型已經(jīng)用于具體的文物修復(fù)、 考古等方面實踐項目中，無人機航空攝影測量技術(shù)和無人機搭載傳感器可以便捷、高效、快速地提供古遺址高分辨率影像數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)制作立面正射影像、 實景三維模型等數(shù)字化產(chǎn)品，以此來保存文物古遺址的各項形式數(shù)據(jù)和空間位置關(guān)系等重要資源，數(shù)字化存檔可以實現(xiàn)瀕危文物資源的科學(xué)、高精度和永久的保存。 大佛保護工程實施整個過程以及修復(fù)工作完成都需要利用測繪高科技技術(shù)，構(gòu)建大佛實景三維模型將大佛的容貌永久保存。構(gòu)建樂山大佛的三維模型可以直接展示樂山大佛遺產(chǎn)面貌與現(xiàn)狀，也可以提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

利用計算機視覺技術(shù)和多傳感器集成技術(shù)快速發(fā)展為基礎(chǔ)，傾斜航空攝影測量技術(shù)應(yīng)運而生，它克服了傳統(tǒng)豎直航空攝影系統(tǒng)受空間攝影姿態(tài)的限制，能獲取地形、地物的頂部與側(cè)面紋理信息，影像信息量大， 利用多視角傾斜數(shù)碼相機或者單鏡頭旋轉(zhuǎn)相機， 在不同角度上對目標物獲取不同角度的影像，具有豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，生成密集三維點云和TIN 格網(wǎng)模型，在實際應(yīng)用中能快速自動化實景建模模型[1]。傾斜攝影測量作為航空遙感領(lǐng)域的一種新數(shù)據(jù)源，使得數(shù)字化三維建模成本降低。

2 古文物數(shù)字化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

世界各國的文化遺址體現(xiàn)了各國歷史、文化與信仰，文化遺址是不可再生資源，古文化遺址的研究與考古學(xué)、美術(shù)史以及宗教研究相互聯(lián)系、相互滲透，對弘揚與發(fā)展文化遺傳有重大意義[2]。早在1984 年9 月宋德聞等人對陜西彬縣大佛寺石窟地進行了近景攝影測量工作[3]。 近景攝影測量技術(shù)主要采集體積小的文物影像數(shù)據(jù)進行三維建模，大場景下的局部影像信息輔助研究文物各方面檢測[4]。 三維激光掃描技術(shù)采用主動成像方式獲取單體文物或小場景遺址的精非接觸幾何數(shù)據(jù)完成單體文物高精度三維重建[5]。 國外最早知名項目是2003 年美國的米開朗基羅數(shù)字化項目，掃描大衛(wèi)雕像模型結(jié)合高分辨率照片進行三維建模[6]。 對于紋理特征豐富的不可移動石窟文物和大場景古遺址的三維模型的構(gòu)建，無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有很強的優(yōu)勢，能快速、高效、低成本建立實景三維模型，實際應(yīng)用價值非常大。因此，基于傾斜攝影測量的石窟文物的三維建模應(yīng)用研究有非常大意義。

3 樂山大佛保護修復(fù)工程

3.1 樂山大佛概況

四川樂山大佛是世界上最大的一尊壯觀、雄偉的摩崖雕鑿的佛，至今有1300 年歷史，大佛為彌勒佛坐像，特有71 m 通高的“山是一尊佛，佛是一座山”的景觀。 樂山大佛作為世界自然與文化雙遺產(chǎn)，是古代勞動人民智慧的縮影，具有歷史價值，體現(xiàn)古代人民宗教文化信仰以及高深的藝術(shù)價值[7]。 樂山大佛屬于摩崖石刻，作為露天保存大型不可移動文物，紅色砂巖多孔結(jié)構(gòu)礦物集合體抗風(fēng)化能力弱，大佛歷經(jīng)千年滄桑，正遭受著風(fēng)化、石化、酸化的威脅，樂山大佛本體開裂垮塌破壞等，需要得到長期全面的有效保護。

3.2 大佛影像數(shù)據(jù)的采集

航測數(shù)據(jù)采集過程可以為考察拍攝測區(qū)地形地物形態(tài)而確定無人機拍攝模式、 計算設(shè)定航攝參數(shù)、操作無人機飛行作業(yè)。 石窟所在的地形、大佛自身的形態(tài)，樂山大佛屬于半立體石窟，大佛周邊設(shè)置了觀景臺，景區(qū)樹木比較茂盛，航拍時要拍攝大佛所有可視面的影像與大佛左側(cè)與右側(cè)的山體。選擇人工遙控操作無人機，按照大佛及左右山體結(jié)構(gòu)設(shè)計為S 型橫向與N 型縱向相結(jié)合的多層航線設(shè)計方案。航拍時從外層到內(nèi)層飛行， 在外層底部多加一條橫向航線，以N 豎向為主的航線。 相機鏡頭角度由駕駛員控制，如圖1 攝影機鏡頭垂直于大佛整體區(qū)域，攝影機鏡頭向下傾斜，攝影機鏡頭接近豎直向下，攝影機鏡頭面向大佛右側(cè)山體，駕駛員需要隨時調(diào)整拍攝間隔以及鏡頭的角度進行拍攝。 phantom4pro 無人機搭載具有 2 000 萬像素的高清非量測數(shù)碼相機，第一次航拍共拍攝了樂山大佛及周邊山體256 張影像。

圖1 樂山大佛的航線及攝影角度

3.3 實景三維模型的構(gòu)建

圖2 修復(fù)工程中樂山大佛三維模型

手動控制無人機飛行獲取的影像數(shù)據(jù)包含各個角度的傾斜影像和豎直影像，影像自帶POS 數(shù)據(jù)，樂山大佛本體上的特征點作為像控制點，用全站儀測量像控點的坐標。 使用ContextCapture 三維建模軟件進行建模，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、控制點影像關(guān)聯(lián)與控制點的刺設(shè)、提交空中三角測量任務(wù)，空中三角測量任務(wù)完成生成空三質(zhì)量報告，樂山大佛空三報告中的信息，地面覆蓋范圍為28 820.05m2，平均地面分辨率為12.414 56 mm/pixel。 選擇空間框架選項卡進行切塊設(shè)計，設(shè)置規(guī)則立體切塊，設(shè)置瓦片大小，設(shè)置需要建模的興趣區(qū)域，產(chǎn)品類型包括三維網(wǎng)格 （3Dmesh）、三維點云（3D Point Cloud）、正射影像（Orthophoto）等，如圖2 修復(fù)工程中樂山大佛三維模型。

3.4 實景三維模型的意義

樂山大佛屬于世界文化遺產(chǎn)，大佛保護工程實施整個過程以及修復(fù)工作完成都需要利用測繪高科技技術(shù)， 構(gòu)建大佛實景三維模型將大佛的容貌永久保存。樂山大佛遺產(chǎn)核心區(qū)航空影像數(shù)據(jù)獲取與樂山大佛的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建為世界文化遺產(chǎn)的保護提供了很好的范例，有非常重大的意義。 樂山大佛的修復(fù)前實景三維模型可以給文物修復(fù)專家提供文物參考數(shù)據(jù)，間接幫助專家分析大佛修復(fù)前的現(xiàn)狀。 樂山大佛整體受到風(fēng)化作用等自然因素侵蝕，大佛局部巖石表層剝離處，頸部與右手下部都有巖石破損處，破損嚴重的右腳已用塊石、人工雜土等附加層充填覆蓋。樂山氣候濕潤，大佛身上長著比較茂密的草本植物，從模型上能看到草本植物清晰的紋理信息，草本植物根部會釋放出來酸，酸對砂巖會產(chǎn)生分解作用，修復(fù)工作要清理大佛身上的草本植物；有草本植物便有寄生草本植物的各種小動物，因此大佛亦受各種病蟲的危害等。

4 結(jié)論

應(yīng)用無人機近景傾斜攝影測量的方案，探索傾斜攝影測量技術(shù)如何更好地服務(wù)于文物保護工程中。構(gòu)建樂山大佛的三維模型以及遺產(chǎn)周邊正射影像，實景三維模型最直接展示樂山大佛遺產(chǎn)面貌與現(xiàn)狀，為分析巖體的變性保護工程主體實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樂山大佛保護工程及樂山大佛周邊景區(qū)旅游安全，需要獲得大佛及周邊環(huán)境景觀的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，對樂山大佛保護工程進行監(jiān)測預(yù)警，為保護工程提供最直接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。