無人機(jī)攝影測量技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用

李平山

（福建省中核工勘察設(shè)計有限公司，福建 泉州 352000）

0 引言

為切實履行好文物安全屬地管理主體責(zé)任，南安市博物館于2018年12月委托我單位開展58處（2020年9月增加8處）市級文物保護(hù)單位保護(hù)范圍劃定落圖工作，屬福建省內(nèi)較早開展縣級文物保護(hù)單位保護(hù)范圍劃定、規(guī)劃的單位之一。該工作所需文物保護(hù)單位及周邊1:500地形測圖，剛開始主要采用GPS-RTK碎部測量法結(jié)合全站儀極坐標(biāo)法進(jìn)行，人員投入大，易受外業(yè)天氣因素影響，測繪成本居高不下。該項工作引進(jìn)無人機(jī)攝影測量技術(shù)之后，與傳統(tǒng)地面數(shù)字化測圖技術(shù)相比，極大地降低了作業(yè)成本、提高了工作效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。

時代需求推動科技進(jìn)步。在新時代背景下，文物保護(hù)工作不再局限于文物本體，而應(yīng)與多規(guī)合一相結(jié)合，在此要求下謀求文物保護(hù)先行。以往的無人機(jī)技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究多局限于影像，為人類視角無法到達(dá)的延伸手段。在獲取文物建筑影像后，我們利用攝影測量技術(shù)分析無人機(jī)影像，結(jié)合三維重建技術(shù)，實現(xiàn)文物建筑全面數(shù)字化的分析與建檔[2]。發(fā)展和應(yīng)用無人機(jī)攝影測量技術(shù)是提高測繪現(xiàn)勢性的迫切需求[3]，也是加快推進(jìn)各地文物單位保護(hù)范圍劃定落圖和“多規(guī)合一”下文物保護(hù)先行的迫切需求。

1 無人機(jī)攝影測量技術(shù)概述

無人機(jī)攝影測量技術(shù)是一種可以實現(xiàn)快速獲取空間高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的先進(jìn)測量技術(shù)手段，是集成了遙感、遙控、遙測技術(shù)與計算機(jī)信息技術(shù)的新型應(yīng)用技術(shù)。小型工業(yè)級無人機(jī)在先后實現(xiàn)了定點懸停、GPS增穩(wěn)飛行、航線規(guī)劃、智能飛行、環(huán)境感知、自動避障和自主返航后，便成為衛(wèi)星遙感、載人機(jī)航空遙感的有力補充[1]。特別是在近幾年隨著勞動力成本的提高，無人機(jī)攝影測量技術(shù)便迅速成為測繪地理信息企業(yè)必須掌握的新技術(shù)。其中，大疆精靈 Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，它面向低空攝影測量應(yīng)用，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，地面采樣間距（GSD）可達(dá)2.74厘米，可滿足1:500測圖比例要求。

2 無人機(jī)攝影測量技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用實踐

李贄紀(jì)念祠為南安市政府2020年1月公布的第五批市級文物保護(hù)單位之一，為近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑。本文以此為代表案例，介紹無人機(jī)攝影測量技術(shù)在文物保護(hù)范圍劃定落圖中的應(yīng)用。

2.1 資料收集與準(zhǔn)備

收集測區(qū)附近CGCS2000坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)控制點資料或七參數(shù)作為像控點三維坐標(biāo)的起算依據(jù)。了解測區(qū)附近是否有軍事用地等禁飛區(qū)，并確認(rèn)測區(qū)范圍內(nèi)已有省網(wǎng)CORS信號覆蓋[4]。

2.2 像控點的布設(shè)與采集

像控點布設(shè)的優(yōu)劣直接決定空三加密精度的高低，像控點布設(shè)三大要素包括像控點的幾何分布、點位選取、標(biāo)志制作，三要素同等重要。像控點應(yīng)力圖均勻分布并覆蓋測區(qū)四至，選取平整、四周無遮擋且與標(biāo)志點顏色不同的明顯地物上，標(biāo)志點應(yīng)按規(guī)范要求制作，水泥路面上推薦選用黑色噴漆噴繪、柏油路面推薦選用白色噴漆。

2.3 航線規(guī)劃與影像采集

航線規(guī)劃前應(yīng)重點觀察預(yù)估測區(qū)范圍內(nèi)的高層建筑物、通信高壓塔線高度，以制定最優(yōu)的飛行高度，確保飛行安全。在大疆精靈 Phantom 4 RTK遙控器自帶的DJI GO4上進(jìn)行三維模式航線規(guī)劃，飛行參數(shù)設(shè)計如下：航向重疊率70%，旁向重疊率80%，實際飛行高度120m，地面分辨率4.11cm/px；操控方式：自動駕駛、返航。

飛行前應(yīng)確保已摘下鏡頭保護(hù)罩，否則無人機(jī)到達(dá)航線起點后將懸停。起飛點應(yīng)選擇平坦空曠且四周無強(qiáng)磁場、電線等礙航物。李贄紀(jì)念祠及周邊約250m×250m的矩形區(qū)域采集影像照片共計430張，飛行2個架次。兩個架次均處于平穩(wěn)飛行狀態(tài)，獲取的影像清晰度較高，且照片色彩均勻，飽和度良好，能夠清晰表達(dá)真實的地物信息。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

將飛行器SD卡內(nèi)的照片拷貝至已命名的PC文件夾內(nèi)。采用大疆智圖（DJITerra）進(jìn)行三維模型重建。主要步驟：新建任務(wù)名稱、導(dǎo)入外業(yè)采集的照片、選擇輸出坐標(biāo)系（CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 117E）、導(dǎo)入像控點文件（像控點格式：點號，E，N，H）并設(shè)置像控點坐標(biāo)系、刺點（每個像控點刺點數(shù)不少于4個）、進(jìn)行空三解算和模型重建。其中，對已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算是關(guān)鍵，重點查看空三成果報告中相片POS的RTK解算狀態(tài)統(tǒng)計和地面像控點、檢查點均方根誤差，根據(jù)實際情況選擇是否重新刺點及空三優(yōu)化。

2.5 精度檢查與圖紙編繪

內(nèi)業(yè)圖紙編繪采用清華三維EPS2016進(jìn)行三維測圖osgb數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，重建三維模型后進(jìn)行地物線劃勾勒及高程提取。精度檢查主要包括像控點和檢查點精度，如果誤差過大則需重新刺點和空三解算；本項目還選取李贄紀(jì)念祠房屋四至角點（對應(yīng)表1中的序號1、2、3、4）和埕外沿2個角點（對應(yīng)表1中的序號5、6）進(jìn)行精度檢核。具體方法：使用南方NTS-332R6全站儀，采用光電測距附合導(dǎo)線和三角高程測量法對GPS-RTK快速靜態(tài)采集的像控點進(jìn)行聯(lián)測、平差，再以像控點作為起算點，全站儀極坐標(biāo)法測量上述點位坐標(biāo)，檢核結(jié)果見表1。

表1 角點坐標(biāo)檢核統(tǒng)計表

2.6 文物保護(hù)單位保護(hù)范圍劃定落圖

打開清華三維EPS2016并加載三維模型文件，李贄紀(jì)念祠為二落三開間房屋，拾取、勾勒文物外墻和水泥澆筑埕地外沿即為本文物單位本體線(圖1紅線)；保護(hù)范圍：東至建筑后檐墻外延伸5米，南至建筑南側(cè)墻外延伸5米，西至李氏家廟埕外沿水泥路邊，北至建筑北側(cè)墻外延5米(圖1綠線)；建設(shè)控制地帶：自保護(hù)范圍邊界向四周外延10米(圖1藍(lán)線)。保護(hù)范圍線和建設(shè)控制地帶的確定嚴(yán)格按有關(guān)導(dǎo)則進(jìn)行。實景三維模型和三線疊加見圖1。

圖1 實景三維模型和三線疊加效果圖

2.7 數(shù)據(jù)匯交

為構(gòu)建各類文物保護(hù)對象資源數(shù)據(jù)模塊，建立全省數(shù)據(jù)庫，掌握保護(hù)對象總量、種類、分布及保護(hù)狀況，在ArcGIS軟件中按不可移動文物數(shù)據(jù)庫建設(shè)匯交要求，將各文物三線（即本體線、保護(hù)范圍線、建設(shè)控制地帶）及文物名稱、文物保護(hù)級別等主要屬性進(jìn)行編輯形成SHP格式文件。步入網(wǎng)絡(luò)時代之后，構(gòu)建大數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)已然成為一種必然趨勢[5]，數(shù)據(jù)格式的通用性尤為重要。該項工作為多規(guī)合一、文物保護(hù)優(yōu)先提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的地形測圖方法相比，無人機(jī)攝影測量技術(shù)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)為效率高、成本低、應(yīng)用靈活。隨著無人機(jī)智能防雨防水技術(shù)的成熟應(yīng)用，將進(jìn)一步打破了空域與天氣的制約，保障了無人機(jī)的有效作業(yè)時間。無人機(jī)攝影測量解放了外業(yè)人員的體力勞動，大幅減少了外業(yè)作業(yè)人員和作業(yè)時間，不但降低了勞動力成本，縮短了測量周期，還降低了測繪總成本。

本案涉及的文物保護(hù)點數(shù)量多、分布廣，文物類別涉及古遺址、古墓葬、古建筑、石窟寺及石刻及近現(xiàn)代重要史跡及代表性建筑等。在早期的文物信息采集中只能用手持GPS采集文物本體概位坐標(biāo)，用文字配合距離數(shù)據(jù)概略描述保護(hù)范圍，容易產(chǎn)生爭議，如曾氏家族墓就曾在缺乏閩南曾氏始祖曾延世等墓葬群具體分布的考古依據(jù)下，直接把一整面的山麓（風(fēng)水寶地）都描述成保護(hù)范圍。在南安市級文物保護(hù)單位保護(hù)范圍劃定落圖工作中，經(jīng)與業(yè)主和評審專家進(jìn)行有效溝通，優(yōu)化了工作流程，即在無人機(jī)攝影測量生成垂直攝影模型、傾斜模型后直接據(jù)此確定文物本體線、劃定保護(hù)范圍線及建設(shè)控制地帶，再根據(jù)專題圖框大小確定線劃圖繪制區(qū)域，極大地方便了地形測圖范圍的合理選取，有效減少修改調(diào)整的次數(shù)，甚至可以做到一次性定線。據(jù)悉，各地一般不可移動文物點總量還很大，快速準(zhǔn)確獲取的文物三線及文物屬性數(shù)據(jù)及時匯交后，為落實多規(guī)合一要求、文物保護(hù)優(yōu)先原則爭取寶貴的時間，最終將極大地推動各地文物保護(hù)精細(xì)化管理及在線監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程。同時，獲取的文物本體高清影像資料也可作為文物本體現(xiàn)狀資料存檔，還可以通過三維模型量取文物相關(guān)尺寸和立面圖繪制，可作為文物保護(hù)、文物修復(fù)的依據(jù)。

4 結(jié)語

本文以南安市市級文物保護(hù)單位之一的李贄紀(jì)念祠房屋四至角點與水泥澆筑埕地前沿2個角點進(jìn)行了精度檢核，檢核結(jié)果滿足《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007)中表5.1.5-3列示的限差要求（點位中誤差＜5cm，高程中誤差＜3cm），即無人機(jī)攝影測量技術(shù)在文物保護(hù)單位保護(hù)范圍劃定落圖中的應(yīng)用能滿足精度要求，同時具有效率高、成本低、應(yīng)用靈活、成果多樣化的綜合優(yōu)勢。無人機(jī)攝影測量技術(shù)方案能有效加快推進(jìn)各地一般不可移動文物保護(hù)范圍劃定落圖工作進(jìn)程。