新型測(cè)繪技術(shù)在雙槐樹(shù)遺址地形圖編繪中的應(yīng)用

□趙向莉 孫曉飛

雙槐樹(shù)遺址位于河南省鞏義市河洛鎮(zhèn)雙槐樹(shù)村南邊的高臺(tái)地上，是一處距今約5300 年的都邑性聚落遺址，遺址現(xiàn)存東西長(zhǎng)約1500 米、南北寬約780 米。經(jīng)考古調(diào)查、勘探與發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)有環(huán)壕、夯土基址、墓葬、灰坑、人祭坑、獸骨坑等重要遺跡，并出土了豐富的新石器時(shí)代遺物[1]，2021 年4月13 日，雙槐樹(shù)遺址入選“2020 年度全國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)”；2021 年10 月18 日，入選全國(guó)“百年百大考古發(fā)現(xiàn)”。

為保證雙槐樹(shù)遺址重要文化遺存資料的系統(tǒng)性、完整性、全面性、準(zhǔn)確性，鄭州市文物考古研究院采用新型測(cè)繪技術(shù) （無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)CORSE 系統(tǒng)、三維實(shí)景建模和裸眼測(cè)圖技術(shù)等）獲取遺址本體及周邊環(huán)境的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資料，完成該遺址區(qū)域及周邊環(huán)境的航測(cè)數(shù)據(jù)獲取、圖像控點(diǎn)測(cè)量、實(shí)景三維模型創(chuàng)建、正射影像圖制作和1∶2000遺址地形圖采集與編輯。 遺址地形圖范圍以雙槐樹(shù)遺址核心區(qū)為中心， 北至沿黃快速通道、南至連霍高速公路、西至工廠圍墻、東至自然溝，方圓約3.2 平方千米。 測(cè)區(qū)南部和北部為山地，地形較為復(fù)雜；中部區(qū)域在高臺(tái)地上，地勢(shì)較為平坦，以農(nóng)田為主，交通較為便利。

一、設(shè)備選用

雙槐樹(shù)遺址外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要選用安爾康姆MD4-1000 無(wú)人機(jī)搭載索尼a7相機(jī)、華測(cè)I80GPS RTK（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）及千尋CORS（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位）系統(tǒng)， 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件主要采用Context Capture（三維實(shí)景建模）和EPS 地理信息工作站。安爾康姆MD4-1000 無(wú)人機(jī)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、可規(guī)劃航線獲取影像等優(yōu)勢(shì)，索尼a7 相機(jī)獲取影像清晰度高。 通過(guò)Context Capture 和EPS 地理信息工作站對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 可完成遺址區(qū)域三維模型重建、 正射影像圖制作和遺址地形圖的編繪，具有處理效率高、成果質(zhì)量佳、易被考古工作者掌握等優(yōu)勢(shì)。

二、數(shù)據(jù)采集

1.航線規(guī)劃。依據(jù)雙槐樹(shù)遺址1∶2000 地形圖、遺址三維模型和正射影像等成果要求及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行航線規(guī)劃， 基于Google Earth （谷歌地球）和MdCockpit 軟件，規(guī)劃航線航高為150 米，旁向重疊率65%，航向重疊率75%，飛行速度8 米/秒，影像獲取時(shí)間間隔3 秒，規(guī)劃航線如圖1 所示。

圖1 雙槐樹(shù)遺址規(guī)劃航線示意圖

2.數(shù)據(jù)獲取。 數(shù)據(jù)獲取包括遺址航測(cè)影像數(shù)據(jù)獲取和控制點(diǎn)測(cè)量?jī)刹糠謨?nèi)容。 其中遺址航測(cè)影像數(shù)據(jù)采集， 依據(jù)圖1 可知飛行時(shí)間約需101分鐘。 受無(wú)人機(jī)電池續(xù)航時(shí)間（23 分鐘）限制，在保證飛行器安全和影像質(zhì)量的前提下， 我們將規(guī)劃總航線優(yōu)化為7 條分航線， 每個(gè)架次飛行一條航線。 每個(gè)架次飛行結(jié)束后， 檢查所采集影像質(zhì)量、POS 數(shù)據(jù)數(shù)量及飛行器各項(xiàng)參數(shù)，確定信息完整、準(zhǔn)確無(wú)誤，再執(zhí)行下一條航線飛行任務(wù)。 由于該遺址核心區(qū)域處于高臺(tái)地上，風(fēng)相對(duì)較大，特別需要關(guān)注天氣情況，需在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)、天氣晴朗、陰影少的環(huán)境下執(zhí)行飛行任務(wù)。 確保飛行器在視野范圍內(nèi)作業(yè)， 可借助望遠(yuǎn)鏡觀察飛行器飛行姿態(tài)，保證飛行器安全。

控制點(diǎn)測(cè)量是航測(cè)外業(yè)數(shù)據(jù)采集的重要部分，由于該遺址范圍內(nèi)以田地、山坡為主，控制點(diǎn)多選在居民區(qū)、 道路等區(qū)域。 控制點(diǎn)測(cè)量采用華測(cè)I80 GPS RTK、千尋CORS 系統(tǒng)，坐標(biāo)系統(tǒng)選用國(guó)家2000坐標(biāo)系統(tǒng)，選取道路標(biāo)志線交點(diǎn)，以臺(tái)階、水渠等明顯線狀、面狀地物交點(diǎn)等特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)，測(cè)量其特征點(diǎn)x、y、z。在遺址區(qū)范圍內(nèi)測(cè)量多個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)所測(cè)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在對(duì)應(yīng)影像進(jìn)行綜合判讀，選出影像清晰度高、不被障礙物遮擋、利于內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)的5 個(gè)點(diǎn)（表1）作為控制點(diǎn)。

表1 控制點(diǎn)一覽表

3.數(shù)據(jù)處理。 把外業(yè)獲取的影像、導(dǎo)出的POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)整理至同一文件夾， 編輯POS 數(shù)據(jù)編號(hào)與影像編號(hào)一致。

基 于 Context Capture 軟件，新建工程（設(shè)置英文工程名稱、存儲(chǔ)路徑），導(dǎo)入數(shù)據(jù)（導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、POS 點(diǎn)數(shù)據(jù)）， 導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，提交空中三角測(cè)量創(chuàng)建任務(wù)。 導(dǎo)入POS 點(diǎn)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)需選定WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)和國(guó)家2000 坐標(biāo)系統(tǒng)（中央經(jīng)線114°）。

為提高空中三角測(cè)量創(chuàng)建效率，首先分別基于“use photo positioning metadata for rigid registration”（使用照片定位詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剛性配準(zhǔn)）和“use photo positioning metadata for adjustment”（使用照片定位詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整）提交空中三角測(cè)量。 在基于POS數(shù)據(jù)創(chuàng)建空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上， 分別對(duì)導(dǎo)入的5個(gè)控制點(diǎn)在對(duì)應(yīng)影像上進(jìn)行刺點(diǎn)（Shift+左鍵），每個(gè)控制點(diǎn)刺4～8 張照片?？刂泣c(diǎn)刺點(diǎn)結(jié)束，再基于“use control points for rigid registration”（使用控制點(diǎn)進(jìn)行剛性配準(zhǔn)）及“use control points for adjustment”（使用控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整） 兩種模式分別提交空中三角測(cè)量。兩次空中三角測(cè)量創(chuàng)建成功后，所刺控制點(diǎn)標(biāo)志綠色顯示（圖2），空中三角測(cè)量質(zhì)量報(bào)告中顯示控制點(diǎn)精度如圖3 所示， 綠色表示重投影誤差小，精度高，空中三角測(cè)量創(chuàng)建成功。

圖2 基于控制點(diǎn)模式創(chuàng)建空中三角測(cè)量后控制點(diǎn)標(biāo)志顯示

圖3 空中三角測(cè)量質(zhì)量報(bào)告中控制點(diǎn)精度

依據(jù)空中三角測(cè)量質(zhì)量報(bào)告中關(guān)于控制點(diǎn)精度、重疊率等參數(shù)可知，空中三角測(cè)量成果滿足相關(guān)規(guī)范要求，可進(jìn)入三維模型創(chuàng)建階段。需定義創(chuàng)建產(chǎn)品的相關(guān)參數(shù)，基于“3D mesh”模式，設(shè)置三維模型數(shù)據(jù)格式為OSGB，瓦片模式為規(guī)則二維網(wǎng)格，選定國(guó)家2000 坐標(biāo)系統(tǒng)。 依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行單塊瓦片大小設(shè)定 （單塊瓦片處理過(guò)程中所占計(jì)算機(jī)內(nèi)存不超過(guò)總內(nèi)存的2/3），雙槐樹(shù)遺址影像數(shù)據(jù)處理所用的戴爾計(jì)算機(jī)內(nèi)存是64GB，單塊瓦片設(shè)置為300 meters， 單塊瓦片所耗最大內(nèi)存為32GB， 共分為48 個(gè)瓦片， 提交三維模型重建任務(wù)。 遺址本體及周邊環(huán)境三維重建共用時(shí)大約50個(gè)小時(shí)，生成雙槐樹(shù)遺址三維模型（圖4）成果數(shù)據(jù)。通過(guò)Acute3D Viewer 軟件對(duì)模型進(jìn)行全方位、多角度瀏覽，可查詢遺址范圍內(nèi)任意點(diǎn)、線、面的三維坐標(biāo)、長(zhǎng)度、寬度和面積等。

圖4 雙槐樹(shù)遺址三維模型

把雙槐樹(shù)遺址三維模型導(dǎo)入Acute3D Viewer進(jìn)行瀏覽，經(jīng)查閱該遺址模型完整、質(zhì)量較好。在遺址三維模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建遺址的正射影像，新建正射影像產(chǎn)品，定義相應(yīng)參數(shù)，基于Orthophoto/DSM模式，設(shè)置采樣間距0.023 米，設(shè)置最大圖像零件尺寸4096 像素為默認(rèn)值，選擇影像格式tiff，提交正射影像任務(wù)。 由于Context Capture 軟件生產(chǎn)的正射影像有多個(gè)瓦片數(shù)據(jù)，因此需利用ArcMap 軟件對(duì)生成的正射影像分塊數(shù)據(jù)進(jìn)行合并， 得到一張完整、高分辨率的正射影像圖，如圖5 所示。

圖5 雙槐樹(shù)遺址正射影像圖

4.DLG（數(shù)字線劃地圖）數(shù)據(jù)采集與編輯。 雙槐樹(shù)遺址外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成遺址的三維模型、正射影像圖等成果，為遺址大比例尺地形圖編繪提供了基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的支持。 基于上述成果資料，采用EPS 地理信息工作站系統(tǒng)，完成1∶2000 大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集與編輯。 通過(guò)二維、三維交互采集采編一體化，直接對(duì)地物進(jìn)行采集測(cè)圖，相對(duì)于傳統(tǒng)的立體像對(duì)測(cè)圖，提高了遺址地形圖成圖效率。

通過(guò)“三維測(cè)圖”菜單下“OSGB 格式轉(zhuǎn)換”命令，將模型數(shù)據(jù)OSGB 格式轉(zhuǎn)換為DSM 格式。 執(zhí)行“加載模型數(shù)據(jù)”“加載超大影像”操作命令，加載DSM 格式的模型數(shù)據(jù)及正射影像到軟件中，形成二維、三維聯(lián)動(dòng)測(cè)圖窗口，如圖6 所示。在二維、三維聯(lián)動(dòng)窗口內(nèi)，依據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測(cè)量數(shù)字化測(cè)圖規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，對(duì)道路、陡坎、房屋、田埂等地理信息采集與編輯，并通過(guò)“提取高程點(diǎn)”命令采集地貌特征點(diǎn)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成等高距為1 米的等高線。依據(jù)影像圖和編繪的地形圖進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪， 重點(diǎn)對(duì)圖形編繪時(shí)有疑問(wèn)的地物、 地形等進(jìn)行查看，必要時(shí)進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)測(cè)， 再依據(jù)外業(yè)調(diào)繪成果資料對(duì)地形圖進(jìn)行更新、整飭，確保地物、地形等信息準(zhǔn)確、完整，完成雙槐樹(shù)遺址地形圖編繪（圖7）。

圖6 基于EPS 形成二維、三維聯(lián)動(dòng)測(cè)圖

圖7 雙槐樹(shù)遺址地形示意圖局部（1:2000）

5.成果數(shù)量及質(zhì)量情況。 雙槐樹(shù)遺址航測(cè)面積約3.2 平方千米， 按照規(guī)劃航線共飛行7 個(gè)架次， 照片數(shù)量共1726 張。 單張照片分辨率為7360×4912，地物清晰，色調(diào)均勻、一致，質(zhì)量佳。POS 點(diǎn)數(shù)據(jù)完整， 與影像數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。 控制點(diǎn)數(shù)量、精度等滿足空中三角測(cè)量任務(wù)要求，所生成的三維模型、正射影像圖分辨率均滿足1∶2000 遺址地形圖編繪要求。依據(jù)地形圖編繪相關(guān)規(guī)范，最終完成雙槐樹(shù)遺址1∶2000 地形圖編繪。

三、數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

采用GPS RTK 接收機(jī)作為精度檢測(cè)的儀器設(shè)備，雙槐樹(shù)遺址選取32 個(gè)特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，根據(jù)實(shí)地測(cè)量檢查點(diǎn)位置分布情況，選取6個(gè)具有代表性的檢查點(diǎn)。基于EPS 地理信息工作站，在三維模型及地形圖上， 獲取6 個(gè)特征點(diǎn)的圖上坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 依據(jù)相關(guān)規(guī)范，將圖上獲取的檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)地測(cè)量的檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)相比較， 得出該檢查點(diǎn)x、y 坐標(biāo)信息平面位置中誤差，見(jiàn)表2。

表2 檢查點(diǎn)平面位置中誤差

通過(guò)對(duì)檢查點(diǎn)中誤差進(jìn)行分析， 依據(jù)CH/Z 3003—2010 《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》3.4 精度要求可知， 雙槐樹(shù)遺址1∶2000 地形圖精度滿足制圖規(guī)范要求。

依據(jù)雙槐樹(shù)遺址控制點(diǎn)刺點(diǎn)時(shí)所遇到的問(wèn)題、 空中三角測(cè)量質(zhì)量報(bào)告中關(guān)于控制點(diǎn)精度及檢查點(diǎn)精度得知， 控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)實(shí)地測(cè)量時(shí)需要注意的事項(xiàng)：首先，設(shè)備選用，選擇的GPS RTK設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)CORS 系統(tǒng)應(yīng)具有信號(hào)強(qiáng)、精度高、數(shù)據(jù)鏈穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)；其次，特征點(diǎn)選取，應(yīng)選擇道路標(biāo)志線拐點(diǎn)、線（面）狀地物的交會(huì)點(diǎn)等作為檢查點(diǎn)或控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量， 勿選擇距地表有一定高度的特征點(diǎn)（如房角、機(jī)井角等），坐標(biāo)測(cè)量時(shí)觀測(cè)次數(shù)應(yīng)設(shè)置為10 次以上或時(shí)長(zhǎng)應(yīng)設(shè)置10 秒以上，確保所測(cè)數(shù)據(jù)精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

四、成果應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)技術(shù)、GPS RTK 技術(shù)獲取遺址本體、 周邊環(huán)境的影像及測(cè)繪數(shù)據(jù)， 通過(guò)Context Capture 軟件、EPS 地理信息工作站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成遺址實(shí)景三維模型、正射影像圖、大比例尺地形圖等數(shù)字化信息資料，為田野考古、考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃與管理等提供了準(zhǔn)確、翔實(shí)的基礎(chǔ)信息資料。

雙槐樹(shù)遺址三維模型可真實(shí)再現(xiàn)考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)信息、 逼真顯示遺址本體及周邊地理環(huán)境， 基于Acute 3D Viewer 軟件， 考古領(lǐng)隊(duì)可多角度、 全方位瀏覽遺址三維模型。 雙槐樹(shù)遺址國(guó)家2000坐標(biāo)系統(tǒng)下的大比例尺地形圖可清晰呈現(xiàn)地物、 地形等地理信息， 圖上任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)，任意距離的長(zhǎng)度、寬度， 任意區(qū)域的面積均可直接查詢。

考古領(lǐng)隊(duì)可通過(guò)遺址三維模型和大比例尺國(guó)家2000 坐標(biāo)系統(tǒng)下的遺址地形圖進(jìn)行全面、 直觀地查看和綜合分析研究， 更加清晰地掌控遺址本體及周邊地理環(huán)境，更加精準(zhǔn)制訂遺址考古調(diào)查、勘探、發(fā)掘及研究的實(shí)施方案，提高考古發(fā)掘效率、質(zhì)量。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙槐樹(shù)遺址本體及周邊環(huán)境的影像、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，對(duì)實(shí)景三維模型創(chuàng)建、正射影像圖及大比例尺遺址地形圖等成果進(jìn)行制作可知， 將無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、GPS RTK 測(cè)繪技術(shù)、Context Capture 和EPS 地理信息工作站軟件處理系統(tǒng)等新型測(cè)繪技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于遺址地形圖編繪是切實(shí)可行的。與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)、遺址大比例尺地形圖測(cè)繪相比， 新型測(cè)繪技術(shù)具有效率高、精度高、易操作、易掌握等優(yōu)勢(shì)，不僅提高了工作效率、 數(shù)據(jù)精度及成果質(zhì)量等， 同時(shí)降低了人力、物力、財(cái)力等方面的成本，為遺址數(shù)字化大比例尺地形圖編繪提供了新的技術(shù)支持。