多種近景測(cè)量方法在石窟寺調(diào)查中的應(yīng)用

王炳新

(遼寧省有色地質(zhì)一○一隊(duì)有限責(zé)任公司, 遼寧 撫順 113006)

0 引言

佛像石窟是我國(guó)重要的文物類(lèi)型,具有極其重要的歷史、文化、藝術(shù)和社會(huì)價(jià)值。石窟是一種不可移動(dòng)文物,且一般處于野外地區(qū),容易受人為破壞和自然環(huán)境日積月累地侵蝕[1],佛像保護(hù)在技術(shù)層面難度較大。佛像本體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,傳統(tǒng)的測(cè)量手段無(wú)法很好地測(cè)量佛體三維結(jié)構(gòu)及整體數(shù)據(jù),常規(guī)佛體立面圖測(cè)繪采用近景照片結(jié)合手工繪圖的方法,傳統(tǒng)方法耗時(shí)耗力,且手工繪圖手段不能滿足現(xiàn)代信息化時(shí)代的要求。為了更好地保護(hù)石窟佛像等類(lèi)似文物,研究非接觸性的近景測(cè)量手段十分有必要,在不接觸佛體或文物的情況下,能采集到文物的三維數(shù)據(jù),有效保護(hù)文物本體。

本文以遼寧省石窟寺調(diào)查文物保護(hù)項(xiàng)目為導(dǎo)向,研究采用多種近景測(cè)量技術(shù)手段對(duì)石窟進(jìn)行二維表面與三維立體數(shù)據(jù)采集,近景測(cè)量手段包括無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量、三維激光掃描等。外業(yè)測(cè)量作業(yè)可根據(jù)佛窟寺的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)區(qū)域大小、佛窟立面物體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等因素可選擇不同的儀器和測(cè)量技術(shù)進(jìn)行立面測(cè)繪[2]。

國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)近景測(cè)量手段展開(kāi)過(guò)深入研究。劉洋等[3]采用無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)采集古建筑物的三維立體數(shù)據(jù),在航拍關(guān)鍵技術(shù)方面,論述了多角度航拍,達(dá)到影像多點(diǎn)重疊,從而有利于精細(xì)古建筑物的三維模型。李婉[4]將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物立面體測(cè)量,提取古建筑物二維表面坐標(biāo)成果,成果幾何精度達(dá)到厘米級(jí)別。蔡占玲[5]在大同古城精細(xì)三維建模技術(shù)研究中采用了空地結(jié)合的技術(shù)手段,有效解決了三維模型在高空與地面數(shù)據(jù)相互融合困難問(wèn)題,以及解決了受高度盲區(qū)的影響造成模型拉花、模糊、漏洞等現(xiàn)象。

1 多種近景測(cè)量手段簡(jiǎn)述

隨著無(wú)人機(jī)設(shè)備的飛速發(fā)展,無(wú)人機(jī)近景攝影技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于立面圖測(cè)繪采集方面,它具備作業(yè)效率高、全方位、低成本等優(yōu)勢(shì),無(wú)人機(jī)可從多角度獲取目標(biāo)影像,利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行空三加密處理和三維模型重建[6]。

數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)是對(duì)物體進(jìn)行多角度拍攝,通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成空中三角測(cè)量,并解析原始影像的內(nèi)方位元素,再建立物體精密三維模型[7],通過(guò)拍攝影像獲得物體的紋理信息和細(xì)節(jié)構(gòu)造等,基于三維模型獲得目標(biāo)物的立面信息。

三維激光掃描是全自動(dòng)高精度的測(cè)繪手段,能夠大面積、高分辨率地獲取三維幾何信息和紋理信息[8]。其作業(yè)流程是利用踏勘、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果輸出[9-10]等手段,獲得三維實(shí)景模型,將模型進(jìn)行數(shù)據(jù)切割，獲取所需要的立面、平面等信息。綜上所述，分析多種近景測(cè)量技術(shù)手段在石窟寺調(diào)查應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn),如表1所示。

表1 多種近景測(cè)量技術(shù)對(duì)比表

基于遼寧省石窟寺調(diào)查項(xiàng)目,對(duì)3種方法的應(yīng)用場(chǎng)景分析,在不同的外界環(huán)境采用不同的作業(yè)方法,減少了人力和物力的投入。例如對(duì)于體積大的文物采用無(wú)人機(jī)環(huán)繞飛行方式,拍攝文物的全方位數(shù)據(jù),大大提高了工作效率,而數(shù)碼相機(jī)和三維激光掃描儀就無(wú)法一測(cè)站采集大體積文物的全方位數(shù)據(jù)。又如,在密集室內(nèi)文物區(qū)域中,采用數(shù)碼相機(jī)結(jié)合三維激光掃描儀器的方式能很好地測(cè)量文物數(shù)據(jù),有效保證文物測(cè)量的精度。綜上3種方法有著不同的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),針對(duì)不同環(huán)境結(jié)合不同的采集方式能有效提高文物采集效率和精度。

2 無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量

根據(jù)全國(guó)石窟寺專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查工作的實(shí)施方案制定測(cè)繪技術(shù)方案[11]，立面圖成果制作主要步驟有實(shí)地踏勘、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查等,由于大疆在航拍過(guò)程中可以獲取高精度定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)數(shù)據(jù),無(wú)須布設(shè)像控點(diǎn)。無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)攝影流程圖

2.1 無(wú)人機(jī)設(shè)備

本項(xiàng)目采用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī),精靈4RTK差分模塊的優(yōu)異的定位精度保證了無(wú)人機(jī)在航測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,其衛(wèi)星定位模塊的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 衛(wèi)星定位模塊參數(shù)表

2.2 外業(yè)飛行作業(yè)

由于石窟寺與摩崖造像基本位于山體斜坡上,受地形與環(huán)境等因素影響,不宜規(guī)劃航線進(jìn)行環(huán)繞飛行,只能采用手動(dòng)飛行模型進(jìn)行攝影測(cè)量,手動(dòng)模式拍攝時(shí),需要注意的保證相鄰拍攝照片有60%的重疊度,尤其是文物邊緣,盡量保證相機(jī)角度水平和高重疊度,盡量保持相機(jī)到文物的距離差不要過(guò)大。

飛行過(guò)程中關(guān)注外界環(huán)境風(fēng)力、信號(hào)強(qiáng)度、電池電量等因素,如遇緊急情況應(yīng)立即返航。在采集數(shù)據(jù)時(shí),若室外光線不均勻,無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)焦,可能造成文物本體拍攝不清晰,盡量避免天氣條件不好的情況下作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要包括影像檢查、空中三角及數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工。

首先是對(duì)所拍攝的立面照片逐一檢查,將模糊、拉花的影像數(shù)據(jù)刪除,由于外業(yè)采集照片自帶定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)數(shù)據(jù),可將照片直接導(dǎo)入Context Capture軟件中,提交空中三角測(cè)量,空三結(jié)束后,在3D視圖窗口進(jìn)行檢查,主要檢查是否有明顯的分層或交叉現(xiàn)象[12],同時(shí)也要檢查是否包含測(cè)區(qū)范圍是否完整,是否有漏洞。若有遺漏部分需要現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)拍或重拍相應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)。3D視圖對(duì)空三檢查過(guò)后,進(jìn)行軟件參數(shù)設(shè)置,如坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、模型區(qū)域范圍的定義、瓦片大小的設(shè)置、瓦片分割方式的選擇等。參數(shù)設(shè)置結(jié)束進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)加工,本工程輸出.obj數(shù)據(jù)格式。若輸出數(shù)據(jù)成果出現(xiàn)變形等問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)檢查原始數(shù)據(jù)、處理過(guò)程等是否出問(wèn)題。

2.4 立面圖成果輸出

立面成果圖輸出采用3Dreshaper軟件進(jìn)行模型處理加工,首先將.obj數(shù)據(jù)瓦片加載到軟件中,對(duì)處理好的模型進(jìn)行坐標(biāo)系定義,調(diào)整視圖,導(dǎo)出立面正射影像,如圖2(a)所示,將正射影像插入到AutoCAD軟件中進(jìn)行立面圖描繪,立面線劃圖如圖2(b)所示。

(a)正射圖

2.5 成果質(zhì)量檢查與分析

通過(guò)外業(yè)采集的特征點(diǎn)(本文特征點(diǎn)均在鉛錘方向文物上選取)間距離與模型量距尺寸和立面線化圖尺寸，分別進(jìn)行比對(duì)分析，如表3所示。

表3 無(wú)人機(jī)近景攝影外業(yè)檢查表

通過(guò)比較實(shí)地鋼尺量距尺寸與模型量取尺寸和立面圖尺寸,本次模型量取尺寸和實(shí)地檢查特征點(diǎn)較差差值均在3 cm左右,滿足《石窟寺文物三維激光掃描數(shù)字化采集規(guī)程》中對(duì)于立面精度的要求。本項(xiàng)目作業(yè)無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中符合《無(wú)人機(jī)航拍安全作業(yè)基本要求》(CH/Z 3001—2010)[13]和《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)[14]中的相關(guān)要求。

3 數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量

數(shù)碼相機(jī)近景攝影測(cè)量在遼寧省石窟寺調(diào)查中立面圖成果制作的主要流程有以下幾個(gè)方面：控制測(cè)量、近景拍攝作業(yè)、數(shù)據(jù)處理、成果輸出、立面圖制作等。

3.1 儀器設(shè)備

本項(xiàng)目采用非測(cè)量數(shù)碼相機(jī)佳能6D MarkII。其參數(shù)如表4所示。

表4 數(shù)碼相機(jī)參數(shù)表

3.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

首先作業(yè)前檢校數(shù)碼相機(jī)[15],布設(shè)像控點(diǎn)標(biāo)示,每個(gè)文物本體上至少布設(shè)3個(gè)像控點(diǎn)。為了獲取高清晰的影像數(shù)據(jù),采用云臺(tái)搭載相機(jī),確保相機(jī)拍攝時(shí)平穩(wěn),每次拍攝時(shí)調(diào)整聚焦點(diǎn),保證每張像片的清晰度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

三維模型數(shù)據(jù)處理同樣選擇Context Capture軟件,與無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理不同的是,由于數(shù)碼相機(jī)不能獲取位置信息,所以在空中三角測(cè)量結(jié)束后,需要設(shè)置2個(gè)以上的連接點(diǎn)作為尺寸約束條件,然后進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)加工,數(shù)據(jù)輸出格式.obj。

3.4 立面圖輸出與精度檢驗(yàn)

通過(guò)Context Capture軟件自動(dòng)解算,輸出文物的立面正射圖,將正射影像插入到AutoCAD軟件中進(jìn)行立面圖描繪,立面線劃如圖3(b)所示。

(a)正射圖

數(shù)碼相機(jī)精度驗(yàn)證方式和無(wú)人機(jī)航攝方式相同,本次模型量取尺寸和立面線化圖尺寸與實(shí)地鋼尺量距尺寸較差情況如表5所示。由表5可知,數(shù)碼相機(jī)精度約在2 cm左右。在數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行近景拍攝過(guò)程中符合《近景攝影測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12979—2008)[16]中相關(guān)要求。

表5 數(shù)碼相機(jī)近景攝影外業(yè)檢查表

4 三維激光掃描

三維激光掃描測(cè)量在遼寧省石窟寺調(diào)查中立面圖成果制作的主要流程有野外踏勘、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、立面產(chǎn)品加工等,三維激光掃描測(cè)量具體流程如圖4所示。

圖4 三維掃描儀的流程圖

4.1 儀器設(shè)備

在石窟寺調(diào)查中,用采用是Faro focus S350三維激光掃描儀,儀器參數(shù)如表6所示。

表6 三維掃描儀參數(shù)表

4.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

Faro focus S350這款三維激光掃描儀操作簡(jiǎn)單,在作業(yè)過(guò)程中注意以下幾點(diǎn)。

(1)布設(shè)標(biāo)靶時(shí)放在合適位置并固定,保證兩站掃描至少有4個(gè)公共標(biāo)靶。

(2)把掃描儀安置在合適位置,確保標(biāo)靶都能被掃描儀掃到。

(3)按站進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描,確保標(biāo)靶掃描完整、清晰。

4.3 數(shù)據(jù)處理

用儀器自帶的scene軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接處理,導(dǎo)出拼接好的三維模型,數(shù)據(jù)格式為.e57。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到3Dreshaper軟件中對(duì)點(diǎn)云冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、抽稀[17]。

4.4 立面圖輸出

立面成果圖輸出采用3Dreshaper軟件進(jìn)行模型處理加工,將.e57數(shù)據(jù)瓦片加載到軟件中,軟件解算點(diǎn)云數(shù)據(jù),將正射影像插入到AutoCAD軟件中進(jìn)行立面圖描繪,完成立面線劃圖如圖5所示。

(a)正射圖

精度驗(yàn)證方式與無(wú)人機(jī)航攝方式相同,通過(guò)外業(yè)采集的特征點(diǎn)尺寸與模型量距尺寸和立面線劃圖進(jìn)行比對(duì)分析,由表7可知,本次三維激光掃描精度可達(dá)到1 cm級(jí)別。本次三維激光掃描儀精度符合地面《三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》(CHZ3017—2015)中相關(guān)要求[18]。

表7 三維掃描外業(yè)檢查表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要是依托石窟寺調(diào)查項(xiàng)目介紹了無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、三維掃描等多種近景測(cè)量手段在文物立面圖的主要作業(yè)流程,從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理到分析出成果,已經(jīng)形成一套完整的作業(yè)工作模式。同時(shí)也驗(yàn)證了3種作業(yè)方法的精度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。遼寧省石窟寺調(diào)查測(cè)繪項(xiàng)目經(jīng)過(guò)自檢、互檢、專(zhuān)檢的檢查過(guò)程,各項(xiàng)指標(biāo)、精度檢查滿足規(guī)范要求后,提交準(zhǔn)確合格的測(cè)繪成果。同時(shí)本文也驗(yàn)證了不同的作業(yè)環(huán)境選擇不同的作業(yè)方法對(duì)作業(yè)時(shí)間有著明顯的差異,大大提高了生產(chǎn)效率。不足之處在于，室外光線不均、拍攝的過(guò)程中有樹(shù)木陰影等外界干擾因素?zé)o法解決。