激光點云與正射影像融合在數(shù)字考古中的應(yīng)用

陳年青，孫灝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

文物遺址是獲取考古研究資料的第一場所，遺址的空間布局、位置形態(tài)等通常都遵循了一定的社會規(guī)范，因此在考古發(fā)掘過程中對遺址進行精確完整的時空數(shù)據(jù)記錄是考古研究分析的重要先決條件[1，2]。傳統(tǒng)考古測繪方法通常是基于人工量測和手繪圖件，輔以一定的文字記錄和影像留存，其分析記錄結(jié)果通常與學(xué)者的個人經(jīng)驗、能力密切相關(guān)，考古分析推理缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，自動化程度低，科學(xué)準確性不足，且難以應(yīng)對長期、動態(tài)、多時序的數(shù)字考古需求[3，4]。隨著三維空間測繪技術(shù)的發(fā)展，基于激光掃描和攝影測量技術(shù)已可精確高效地進行空間數(shù)據(jù)采集，進而構(gòu)建出考古遺址的三維模型，基于此就可對考古遺址進行時空分析研究，這為考古文化特征的揭示提供了重要基礎(chǔ)[5，6]。對此一些學(xué)者進行了相關(guān)的研究，萬銘[7]等利用空地一體化影像建模技術(shù)重建出考古發(fā)掘現(xiàn)場的實景三維模型，為數(shù)字考古提供了全要素的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。孫保燕[8]等研究航攝影像與地面照片自動融合的三維建模方法，為考古研究提供了高精度的三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鄭曉敏[9]等基于地面三維激光掃描技術(shù)對古墓葬群進行三維掃描，為考古遺址的保護、修繕和重建提供了高精度、完整的空間數(shù)據(jù)信息。沈姜威[10]等研究了多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)的融合及其建模方法，進而構(gòu)建出了古遺址的三維場景模型。然而當前研究多是集中在三維數(shù)據(jù)的處理和分析，缺少對于二維影像和三維模型的融合處理研究，未充分利用二維影像豐富的紋理色彩價值，這對于考古遺址的定量和定性分析會產(chǎn)生一定的影響。

本文以南京市西營村南朝佛寺遺址為研究對象，利用機載激光點云與無人機正射影像進行配準融合，構(gòu)建出了考古現(xiàn)場的三維實景模型，分別介紹了數(shù)據(jù)的采集方案和融合應(yīng)用方法，并對融合模型進行定性和定量的分析，從而為相關(guān)的數(shù)字考古研究提供三維空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集方案

機載激光雷達(LIDAR)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其利用高頻率發(fā)射的激光脈沖信號獲取物體表面的三維密集點云，具有采集效率快、測量精度高等特點，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、三維建模、考古研究等領(lǐng)域。激光雷達作為一種主動式的遙感技術(shù)，其受環(huán)境條件的影響較小，能夠穿透密林植被等復(fù)雜區(qū)域，大大提高了空間數(shù)據(jù)的獲取效率，同時也為地表植被等要素覆蓋下的文化遺跡的揭露提供了途徑。激光雷達是一種高度集成了激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，其在作業(yè)時沿著預(yù)設(shè)路徑飛行的同時向目標發(fā)射激光束，同時接收器會對從目標反射回來的激光進行檢測和分析，以此計算傳感器與目標之間的距離，結(jié)合距離值和位置信息就可解算出對象的三維空間坐標。在作業(yè)過程中，飛行器向前飛行的同時加上激光掃描儀的線性掃描，就形成了對地表一定寬度的二維點云覆蓋，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，就可解算出測區(qū)的三維激光點云。

無人機正射影像(DOM)是基于飛行器搭載垂直下視相機經(jīng)過正射投影拍攝的影像數(shù)據(jù)，具有可靠的平面精度，同時兼具影像的視覺特征。隨著輕小型無人機技術(shù)的快速發(fā)展，搭載單鏡頭的輕小型無人機在正射影像的采集效率和處理精度方面得到了飛躍式的發(fā)展，已成為傳統(tǒng)航空攝影測量的有效補充，且高空間分辨率的正射影像為地物識別和分析提供了科學(xué)的依據(jù)。

激光點云與正射影像各自的優(yōu)缺點都很明顯，激光點云具有精確的三維空間坐標信息，還擁有多次回波數(shù)據(jù)和反射強度信息，然而點云缺少光譜信息，特征信息不明顯，難以對地面特征進行有效判讀；無人機正射影像的地面分辨率較高，影像的特征連續(xù)，色彩信息豐富，具有準確的幾何地圖屬性和豐富的影像紋理特征，然而其缺少高程信息。二者聯(lián)合應(yīng)用存在著很強的互補性，激光點云與正射影像聯(lián)合作業(yè)技術(shù)流程如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程圖

3 融合應(yīng)用方案

激光點云數(shù)據(jù)一般是以空間離散坐標的形式存在，每個點都具備著相應(yīng)的三維空間坐標信息，而無人機正射影像一般是以柵格數(shù)據(jù)的形式存在，包含二維平面坐標信息。將兩種數(shù)據(jù)進行融合處理，首先需要通過數(shù)學(xué)模型建立相應(yīng)的空間變換關(guān)系，使二者處于統(tǒng)一坐標系下，對其粗略配準。

激光點云與正射影像的融合配準本質(zhì)上是三維坐標系與二維坐標系的變換，因此可以將三維點云坐標系進行二維平面投影，通過計算激光點云中每一個點對應(yīng)的像素點在影像坐標系中的位置，以此來計算出坐標間的二維變換關(guān)系。假設(shè)點P為激光點云中的某個三維空間點，其二維平面坐標為(XP，YP)，則點P在影像坐標系中所對應(yīng)的像素行列號位置信息可以表示為：

(1)

公式(1)中，Col和Row分別代表點P在影像像素坐標系中對應(yīng)的列號和行號，(X0，Y0)表示影像左上角像素平面坐標，(GX，GY)表示影像橫向和縱向的地面分辨率。

激光點云的平面投影圖像與無人機正射影像都可以表達二維平面上的幾何位置關(guān)系，兩類圖像之間滿足仿射變換關(guān)系。若以點云投影圖像作為配準圖像A，無人機正射影像作為參考圖像B，則圖像A中的圖像坐標(xA，yA)通過仿射變換就可計算出其在圖像B中的像素坐標(xB，yB)，其坐標變換關(guān)系可以表示為：

(2)

激光點云與無人機正射影像屬于異源異構(gòu)數(shù)據(jù)，激光點云的地面點密度是相當可觀的，而無人機正射影像的地面分辨率更高，其單位平方內(nèi)的像素點數(shù)量就是成千上萬的，在如此大數(shù)量的點陣中尋找出同名點坐標進行坐標變換，往往會造成融合效率的低下。針對這種情況，本文結(jié)合格網(wǎng)匹配的方法，對激光點云和正射影像進行格網(wǎng)切割，由于點云和影像的粗略配準提供了相對精確的初始位置，對二者以相同的格網(wǎng)間距進行切割，就可以得到同名格網(wǎng)下的激光點云和正射影像數(shù)據(jù)，分別在各格網(wǎng)內(nèi)完成激光點云和正射影像的配準融合，減小了同名點的搜索單元，一定程度上提高了激光點云和正射影像的融合效率。

綜上，激光點云和正射影像配準融合的主要思路如下：

(1)利用相同的格網(wǎng)間距分別對激光點云和正射影像進行切割；

(2)對三維激光點云進行二維平面投影，在各同名格網(wǎng)內(nèi)建立點云與像素的對應(yīng)關(guān)系；

(3)利用公式(2)求解出點云坐標系與圖像坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)二者在二維平面上的配準融合；

(4)利用點云與影像的對應(yīng)關(guān)系對像素進行反投影，找到每個點云所對應(yīng)的像素坐標，從而將正射影像的顏色值賦給對應(yīng)位置的點云，生產(chǎn)出真彩色三維點云。

4 案例分析

“南朝四百八十寺，多少樓臺煙雨中”，南北朝時期是佛教發(fā)展的黃金時期，南京作為南朝都城，是南朝佛教文化發(fā)展繁榮的重要區(qū)域。在南京雨花臺區(qū)西營村考古學(xué)者發(fā)掘出了大量的佛教造像和建筑構(gòu)件，包括有佛像殘件、蓮花紋瓦當、大型石柱礎(chǔ)建筑構(gòu)件等，經(jīng)研究分析為南朝佛寺遺址和南唐窯業(yè)遺存，同時遺址展現(xiàn)出了南朝佛寺的大體布局。西營村南朝佛寺遺址的發(fā)掘豐富了學(xué)界對六朝佛寺的認知，對于研究南朝時期佛寺布局、建筑技術(shù)特點及東亞佛教文化傳播具有重要的學(xué)術(shù)意義和文化意義。

數(shù)字考古是對文物古跡進行時空數(shù)字化記錄和表達的重要方式，三維數(shù)字化考古可以真實記錄出考古發(fā)掘現(xiàn)場的場景，從而對遺址進行最大化的保護，并可充分表現(xiàn)出遺址地物的特征信息。本項目分別對南京市西營村南朝佛寺遺址進行了機載激光雷達掃描和無人機正射影像采集，激光點云數(shù)據(jù)采集采用的是大疆M600PRO無人機搭載SZT-R250激光掃描儀，飛行相對航高為 100 m，掃描頻率為 100 kHz，機載點云的平均密度大于 120 Pt/m2，橫縱飛行共二個架次，數(shù)據(jù)采集共耗費時間約 40 min。正射影像采集使用的是大疆精靈4RTK無人機，飛行相對航高為 100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，行速度為5 m/s，影像地面分辨率為 3 cm，數(shù)據(jù)采集耗費時間約 35 min。遺址內(nèi)采集的激光點云和正射影像分別如圖2所示：

圖2 遺址內(nèi)激光點云和正射影像

激光點云和正射影像的數(shù)據(jù)處理是相互獨立的后處理方法，在融合配準前二者需要在統(tǒng)一在相同坐標系下，以此來為其粗配準提供初始的平面參考。為驗證激光點云和正射影像的平面精度，分別在點云和影像中選取了一定數(shù)量的同名特征點進行平面坐標精度分析，精度統(tǒng)計如表1所示：

激光點云和正射影像平面坐標精度對比表 表1

分析表1數(shù)據(jù)可知，由于激光點云和正射影像的數(shù)據(jù)源不同，二者在平面坐標上不可避免地存在著一定的偏差，對表1數(shù)據(jù)進行中誤差統(tǒng)計，可以計算出平面中誤差約為 4.5 cm。由此可以認為激光點云和正射影像的數(shù)據(jù)采集及后處理質(zhì)量較高，二者已經(jīng)處于較理想的粗配準狀態(tài)，基于此就可以進行激光點云和正射影像的配準融合。

基于激光點云和正射影像粗配準的條件下，利用本文介紹的方法對二者進行配準融合。首先對激光點云和正射影像進行格網(wǎng)切割，格網(wǎng)間距設(shè)置為 100 m，然后對三維激光點云進行二維平面投影，利用坐標變換關(guān)系分別在格網(wǎng)內(nèi)進行同名點的搜索，實現(xiàn)激光點云與正射影像在二維平面的配準融合，再根據(jù)點云與影像間的坐標映射關(guān)系對正射影像進行反投影，配準融合生產(chǎn)出三維實景點云模型。配準融合后的三維實景點云模型如圖3所示：

圖3 三維實景點云模型

由融合后的三維實景點云模型可以看出，二維正射影像與三維激光點云已完成了配準融合，融合模型不僅具有三維坐標信息，又有地物的紋理色彩信息。對融合模型進行定性誤差分析，觀察其細部融合效果，可以看出遺址的塔基、磉墩、窯址等特征顯著區(qū)域都較精確地進行了對準，而植被覆蓋區(qū)域也取得了較好的融合效果，且特征明顯、色彩光澤，制作的三維真彩色點云模型具有地形地貌的立體感和真實感，提高了模型的表征性能。

為了定量評價三維真彩色點云模型的融合精度，在數(shù)據(jù)采集的同時，利用GNSS-RTK對測區(qū)內(nèi)的部分特征點進行了坐標采集，利用采集坐標和融合后的三維實景點云模型中的同名點坐標進行對比，來評價融合模型的整體精度。本文從其中隨機選取部分坐標進行精度統(tǒng)計，選取的點位在遺址內(nèi)均勻分布，精度統(tǒng)計如表2所示：

三維實景點云模型精度統(tǒng)計表 表2

對表2數(shù)據(jù)進行中誤差統(tǒng)計，來評價點云模型的整體精度，中誤差計算公式為：

(3)

由公式(3)可計算出三維實景點云模型的整體中誤差為 3.2 cm，其中模型的平面中誤差為 2.4 cm，高程中誤差為 2.1 cm。對融合模型進一步分析可知，偏差較大的點位主要集中在植被與遺址的分界區(qū)域，分析其原因在于植被區(qū)域點云與影像融合配準時特征雜亂且無規(guī)律，在坐標投影變換和反投影著色時由于同名點匹配錯誤造成了模型的偏差，而在遺址其他區(qū)域?qū)δＰ途葯z測的精度較穩(wěn)定，因此可以認為基于本文方法制作的融合模型精度較可靠。

考古發(fā)掘不僅是一個歷史揭露的過程，同時也是一個不可逆的破壞過程，傳統(tǒng)的考古測繪方法一般是采用人工量測，輔以文字、照片等記錄，測繪效率低，繪圖精度差，而且難以復(fù)原考古現(xiàn)場的原景原貌。基于三維空間測繪技術(shù)的數(shù)字考古，可快速、精確構(gòu)建出遺址的三維實景模型，真實記錄了遺址場景的三維空間特征，同時直觀展示了遺址的空間形態(tài)分布。

由上可知，將激光點云和正射影像融合應(yīng)用在數(shù)字考古中，不管是其工作效率、融合配準精度還是其特征信息均可以滿足數(shù)字考古的需求，同時考古發(fā)掘是一個連續(xù)、長期、動態(tài)的過程，完整、精確地記錄發(fā)掘過程是進行后續(xù)擴展研究的重要基礎(chǔ)?；谌S空間數(shù)據(jù)可對遺址進行三維重建、可視化展示等，這為遺址古跡的空間特征提取和時空數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

本文基于機載激光點云和無人機正射影像的技術(shù)優(yōu)勢，研究了一種激光點云和正射影像融合的方法，并應(yīng)用于數(shù)字考古中，以南京市西營村南朝佛寺遺址為研究對象，主要研究結(jié)論如下：

(1)隨著信息化測繪技術(shù)的發(fā)展，機載激光雷達和輕小型無人機已可對地表進行高效、精確的數(shù)據(jù)采集，這為數(shù)字考古提供了一種新的技術(shù)手段，不僅提高了數(shù)據(jù)的采集效率及具有全面性，而且能很大程度地減少接觸遺址古跡的不必要破壞；

(2)融合激光點云高精度的三維空間信息和正射影像豐富的光譜信息，可以構(gòu)建出地表真實的三維實景點云模型，提高了地物特征識別的準確性；

(3)激光點云與正射影像的融合模型包含了完整的時空數(shù)據(jù)信息，準確記錄了遺址古跡的空間位置、細節(jié)尺寸、紋理色彩等信息，這為后期的遺址保護、發(fā)掘過程溯源、文物建檔修復(fù)和數(shù)字化復(fù)原展示等相關(guān)研究提供了翔實的三維基礎(chǔ)資料。