利用無人機貼近攝影測量重建文物三維模型初探

付嬈

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧沈陽 110032）

作為城市歷史的“活化石”，古建筑具有重要的文化歷史傳承價值?！皞€性”消失的背后意味著文化歷史傳承的斷檔。城鎮(zhèn)化城市化進(jìn)程中，包括古建筑在內(nèi)的一些具有歷史文化傳承價值的建筑如何保護和延續(xù)。僅僅短短30年間，全國已消失4萬多處不可移動文物，歷史建筑遭到近乎毀滅性拆除，取而代之是大批喪失個性的高樓大廈。如何從根本上解決城市開發(fā)與文物保護及文化傳承的矛盾，是城市發(fā)展中面臨的緊迫命題[1]。

隨著數(shù)字技術(shù)和無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來貼近攝影測量的技術(shù)日益成熟。利用拍攝設(shè)備貼近物體表面攝影，獲取亞厘米級高清影像并進(jìn)行攝影測量處理[2,3]，從而恢復(fù)被攝對象的精確坐標(biāo)和精細(xì)形狀結(jié)構(gòu)來重建精細(xì)三維模型，彌補了其他攝影測量無法達(dá)到的精度要求[4,5]，其成果可為文保部門提供重要的基礎(chǔ)參考。

一、技術(shù)流程

無人機貼近攝影的總體技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 無人機貼近攝影技術(shù)流程圖

二、實際案例

1.文物簡介

本次結(jié)合沈陽市歷史建筑測繪建檔工作，需要對沈陽市中山廣場的毛主席雕像進(jìn)行無人機貼近攝影。該文物為1969年制作，距今已超過50年，為省級文物保護單位（圖2）。該文物總高20米，歷經(jīng)多次修繕。由于其整體高度以及雕塑群的高低錯落，三維激光掃描等常規(guī)方式無法實現(xiàn)隱蔽部位數(shù)據(jù)采集。為此，受相關(guān)部門委托于2020年6月對其進(jìn)行了無人機貼近攝影，以獲取三維模型等產(chǎn)品用于文物管理。

圖2 中山廣場雕塑實景

2.前期準(zhǔn)備

本次影像采集硬件采用飛馬D200旋翼無人機搭配單頭2400萬像素的超高精度D-0P300五鏡頭模組（圖3），并采用手動控制模式，實現(xiàn)對目標(biāo)雕塑的貼近攝影。

圖3 飛馬D200搭配D-0P300五鏡頭模組

采用Bentley Context Capture軟件（圖4）用于處理數(shù)據(jù)并生成產(chǎn)品。計算硬件方面，使用高性能的集群顯著降低生產(chǎn)時間。

圖4 Bentley Context Capture軟件及集群

3.數(shù)據(jù)采集加工

現(xiàn)場采集時由于為手動控制，對于飛手的要求非常高。除了常規(guī)的環(huán)繞飛行之外（表1，圖5），針對重點的隱蔽區(qū)域，如人物雕像與主雕像的相間區(qū)域均需要動態(tài)調(diào)整甚至懸停拍攝，總計拍攝照片1068張，地面分辨率達(dá)2.1357毫米/像素。

圖5 環(huán)飛場景覆蓋

表1 連接點質(zhì)量度量

數(shù)據(jù)生產(chǎn)時，重點考慮了模型的精細(xì)化程度，故在Context Capture軟件中選擇了最高處理參數(shù)，空三處理時間2小時，生成OSGB模型時間4小時，模型修飾加回滾時間8小時，共生成60塊瓦片，分辨率范圍從0.0058米至0.047米。

針對模型的部分細(xì)節(jié)不夠精細(xì)，分析了具體原因，進(jìn)行了技術(shù)處理（圖6）。

圖6 空三中像片與實景關(guān)系

5.數(shù)據(jù)發(fā)布

數(shù)據(jù)生產(chǎn)完畢之后，考慮到文保部門的具體需求，采用Bentley Context Capture Viewer軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)發(fā)布并于文保部門安裝了客戶端，以方便其管理（圖7，圖8）。

圖7 最終模型效果圖

圖8 最終模型發(fā)布效果圖

三、結(jié)論

貼近攝影測量作為目前最精細(xì)化的采集手段，從實際案例來看，最終的成果分辨率范圍從0.0058米至0.047米，僅耗時1天即可完成單體建筑的建模和發(fā)布，精度和效率處于領(lǐng)先地位。目前，貼近攝影技術(shù)還受到天氣、人員能力、技術(shù)設(shè)備門檻等各類條件限制，距離普適化應(yīng)用還有一段距離。隨著云計算的不斷成熟和低成本化，以及無人機設(shè)備的越來越智能化，未來將廣泛地用于文物數(shù)字化及文物保護領(lǐng)域并發(fā)揮著重要的作用。