貼近攝影測(cè)量技術(shù)在物質(zhì)文化遺產(chǎn)三維建模中的應(yīng)用

羅曉丹,賴明治,盧 燕,呂新強(qiáng),凌聰聰,黃 宇

(1. 廣西壯族自治區(qū)自然資源遙感院,廣西 南寧 530001; 2. 南寧市自然資源信息集團(tuán)有限公司, 廣西 南寧 530001; 3. 平南縣不動(dòng)產(chǎn)登記中心,廣西 平南 537300; 4. 廣西壯族自治區(qū)自然資源 信息中心,廣西 南寧 520028; 5. 平南縣佳正測(cè)繪有限公司,廣西 平南 537300)

我國(guó)物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)量豐富,擁有巨大的歷史價(jià)值。通過歷史文物可以了解社會(huì)發(fā)展情況,為探索人類社會(huì)歷史發(fā)展提供重要參考[1]。物質(zhì)文化文物保護(hù)研究的困難性在于,其為不可再生資源,一旦破壞就難以復(fù)原。因此,一方面要盡可能長(zhǎng)久地保護(hù)文物不受到破壞,另一方面要采取措施,對(duì)文物進(jìn)行數(shù)字化,使受損文物有得以修復(fù)的依據(jù)[2]。

文獻(xiàn)[3]提出了貼近攝影測(cè)量技術(shù),即利用無人機(jī)平臺(tái)搭載超高像素?cái)z影設(shè)備,近距離貼近物體表面進(jìn)行攝影,獲取超高清影像數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)等地理信息的精細(xì)化提取。貼近攝影測(cè)量技術(shù)可以有效地彌補(bǔ)常規(guī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)帶來的紋理?yè)p失問題,為精細(xì)化三維建模提供高清晰度的紋理細(xì)節(jié)。已有學(xué)者將貼近攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到瀕危民族建筑部件保護(hù)[4]、高陡危巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查[5]等實(shí)景三維建模工作中。本文以廣西寧明花山巖畫為例,采用無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)開展花山巖畫實(shí)景三維建模技術(shù)研究,以期為文物保護(hù)等涉及地理空間信息采集的相關(guān)領(lǐng)域提供精細(xì)化實(shí)景三維建模技術(shù)參考。

1 貼近攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 精細(xì)化航線規(guī)劃

為保證無人機(jī)安全、自動(dòng)的貼近飛行,需在目標(biāo)初始場(chǎng)景信息的引導(dǎo)下進(jìn)行航線規(guī)劃。精細(xì)化三維模型的航線參數(shù)設(shè)計(jì)包括無人機(jī)的飛行方式、拍攝時(shí)的位置姿態(tài)、拍攝距離、影像重疊度、無人機(jī)航線模式等。與常規(guī)的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集航線設(shè)計(jì)不同,貼近攝影測(cè)量航線規(guī)劃以目標(biāo)場(chǎng)景信息為基礎(chǔ),根據(jù)目標(biāo)表面的特點(diǎn)(如坡度、凹凸情況),設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的貼近航線規(guī)劃方法,從而讓無人機(jī)能夠高效獲取被攝物的精細(xì)化影像數(shù)據(jù)[6]。因此,貼近航線規(guī)劃是無人機(jī)貼近攝影測(cè)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量的目的是恢復(fù)影像間的相互位置關(guān)系,計(jì)算出影像的位置姿態(tài)參數(shù),獲得目標(biāo)場(chǎng)景的稀疏點(diǎn)云,為模型的精細(xì)化三維重建服務(wù)。貼近攝影測(cè)量采集的影像數(shù)據(jù)有兩個(gè)特點(diǎn):①有較規(guī)則的航帶,但其飛行軌跡與目標(biāo)表面相關(guān),而不是分布在水平面上;②影像拍攝時(shí)的位置和姿態(tài)參數(shù)是根據(jù)航跡規(guī)劃結(jié)果確定的,如外方位元素的初值。因此,通過精細(xì)化航線采集影像數(shù)據(jù),利用已有POS信息提高空中三角測(cè)量的數(shù)據(jù)處理效率,是貼近攝影測(cè)量的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[7]。

1.3 三維重建

空中三角測(cè)量后貼近攝影測(cè)量影像的位置參數(shù)便得以還原,同時(shí)可以得到被攝物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維模型建立的過程就是通過TIN密集匹配構(gòu)建模型三角網(wǎng),對(duì)TIN模型進(jìn)行密集匹配便可得到三維模型的白模結(jié)構(gòu),模型的白模結(jié)構(gòu)經(jīng)紋理映射后即可生成精細(xì)化三維模型[8]。

2 數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

貼近攝影測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中的工作流程主要有兩個(gè)方面:一是用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采集目標(biāo)場(chǎng)景影像,進(jìn)行初始地形場(chǎng)景信息三維重建;二是根據(jù)初始場(chǎng)景信息進(jìn)行無人機(jī)精細(xì)化航線設(shè)計(jì),使無人機(jī)貼近被攝物體進(jìn)行拍攝,以獲得物體表面高分辨率影像數(shù)據(jù)[9]。

2.1 研究區(qū)概況

花山巖畫位于廣西崇左市寧明縣西南約25 km處,是2000多年前古人把赭紅色的赤鐵礦粉在高44 m、寬170 m,凹凸不平的明江河畔陡峭巖壁上刷繪出的神奇壁畫,繪有各種人物、動(dòng)物、器物1900多個(gè)。陡峭巖面凹凸不平,風(fēng)化較嚴(yán)重,巖畫前方樹木遮擋多,地理環(huán)境復(fù)雜。

2.2 初始地形模型影像獲取

2.3 精細(xì)化模型影像獲取

航跡大師 (WayPoint Master)是一款針對(duì)大疆無人機(jī)攝影測(cè)量而設(shè)計(jì)的專業(yè)級(jí)航線定制軟件。將花山巖畫初始地形模型導(dǎo)入航跡大師軟件中,利用點(diǎn)云航線設(shè)計(jì)功能,可根據(jù)崖面實(shí)際凹凸情況自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)航點(diǎn)到巖面的準(zhǔn)確距離。在航飛中保持相對(duì)航高一致,以避免無人機(jī)飛行航高變化帶來的分辨率差異問題[11]。

采用經(jīng)緯M300 RTK四旋翼無人機(jī)搭載禪思P1 航測(cè)相機(jī)獲取精細(xì)化模型影像數(shù)據(jù)?；ㄉ綆r畫精細(xì)化航線設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置地面分辨率為0.002 m,進(jìn)行貼近巖面5.5 m的等距拍攝,具體參數(shù)見表1。通過精細(xì)化航線設(shè)計(jì),采用自下而上“弓”字形自主飛行,完成77條精細(xì)化航線貼近攝影測(cè)量,采集到6979張相片。

表1 貼近攝影測(cè)量精細(xì)化航線參數(shù)設(shè)計(jì)

2.4 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理

外業(yè)無人機(jī)精細(xì)化攝影測(cè)量結(jié)束后,為了能夠順利建立無人機(jī)影像三維模型,首先,需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除光照條件差、陰影面積較大的影像;將經(jīng)過預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture軟件進(jìn)行三維重建,由軟件自動(dòng)檢測(cè)和匹配同名像點(diǎn),利用多像觀測(cè)原理自動(dòng)選擇最佳像對(duì)模型;生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后經(jīng)轉(zhuǎn)換得到不規(guī)則TIN結(jié)構(gòu)網(wǎng),如圖1(a)所示。然后,對(duì)TIN結(jié)構(gòu)網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化后生成三維白模,如圖1(b)所示。最后,軟件基于內(nèi)在幾何關(guān)系自動(dòng)提取位置對(duì)應(yīng)的紋理信息映射至三維白模,最終建立精細(xì)化三維模型[12],如圖1(c)所示。

圖1 花山巖畫建模

建立的精細(xì)化三維模型若出現(xiàn)空洞或凹陷等常見問題,則需要重新采用人工方式操控?zé)o人機(jī)對(duì)存在問題的區(qū)域重新進(jìn)行貼近攝影測(cè)量,并重新進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理。

3 三維建模效果分析

3.1 模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

本次精細(xì)化航線參數(shù)設(shè)計(jì)綜合考慮了重疊度、垂直距離、飛行速度、影像分辨率等技術(shù)指標(biāo)[13],采集到的貼近影像質(zhì)量好、數(shù)據(jù)冗余度高。內(nèi)業(yè)三維模型重建一次通過,質(zhì)量報(bào)告顯示的三維模型分辨率達(dá)0.003 m,能夠充分復(fù)原建模對(duì)象原始紋理和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

3.2 模型效果分析

根據(jù)《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》[14]要求,對(duì)本次重建的精細(xì)化三維模型進(jìn)行效果分析。根據(jù)花山巖畫所處巖壁空間分布情況和巖畫數(shù)量,選取局部特征區(qū)域?qū)?xì)化三維模型細(xì)節(jié)進(jìn)行建模效果分析。如圖2所示,4個(gè)特征區(qū)域(a、b、c、d)較均勻地分布在整個(gè)研究區(qū)域,W、E、B、T分別為花山巖畫范圍的西、東、南、北邊緣。

圖2 花山巖畫局部細(xì)節(jié)空間分布

圖3為對(duì)應(yīng)花山巖畫4個(gè)特征區(qū)域的三維模型精細(xì)紋理。由所還原巖畫的細(xì)節(jié)可以看出,古人采用抽象畫法將各種人物、動(dòng)物、器物繪在懸崖相對(duì)平整的巖面上,活動(dòng)場(chǎng)景細(xì)節(jié)豐富,動(dòng)作逼真。巖面細(xì)節(jié)建模細(xì)致,細(xì)小的裂縫和陰影均能清晰復(fù)原出來。

圖3 花山巖畫三維模型精細(xì)紋理

圖3(a)的懸崖巖面凹凸不平、棱角尖銳。受限于巖面的不平整,該區(qū)域的巖畫人物數(shù)量較少;盡管巖畫人物數(shù)量少,但左邊區(qū)域跳舞人物身材魁梧,腰間佩劍清晰可見。三維模型同時(shí)精細(xì)復(fù)原了局部巖面被風(fēng)化脫落的細(xì)節(jié),該區(qū)域中間局部巖面已脫離,局部巖畫已遭受破壞。

提取的總RNA經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳鑒定，可見較清晰的條帶，表明總RNA降解較少，且無DNA污染。計(jì)算得ROR-γt、Foxp3和β-actin基因的擴(kuò)增效率分別為96%、98%和95%，擴(kuò)增效率接近于100%，擴(kuò)增效率達(dá)到最佳，因此所用比較Ct的2-ΔΔCt法計(jì)算的基因相對(duì)表達(dá)量結(jié)果更接近于真實(shí)值，ROR-γt(A)、Foxp3(B)和 β-actin(C)基因各組的擴(kuò)增曲線，見圖1。

圖3(b)巖面較平整,所處高度也較低,古人選擇這類區(qū)域進(jìn)行繪畫較容易。該區(qū)域巖畫包括大量的人物、動(dòng)物及器物。人物圖像多以正身、側(cè)身兩個(gè)角度,畫出頭、頸、軀體及四肢;動(dòng)物圖像主要是畫側(cè)身且作向前小跑狀的狗;器物圖像主要有刀、劍、銅鼓、羊角紐鐘等。花山巖畫可能是一種巫術(shù)文化遺跡,巖畫活靈活現(xiàn)地記錄了一場(chǎng)場(chǎng)莊嚴(yán)而又歡快的祭祀活動(dòng)。

圖3(c)巖面往外凸出,石灰質(zhì)巖石遭受流水溶蝕往下凹陷導(dǎo)致巖面很不平整。該區(qū)域僅有1組巖畫,且選擇在巖面?zhèn)确铰詾槠秸陌枷萏庍M(jìn)行繪畫。由于所處位置特殊,三維建模處理要求技術(shù)難度大,如不采用貼近攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行航攝,幾乎無法高仿真地復(fù)原其形態(tài)細(xì)節(jié)。

圖3(d)巖面位于斷崖處,巖畫所處位置上方有凸出巖石遮蔽。三維模型中可清晰地看到陰影輪廓、巖面凹凸及巖面裂紋等細(xì)節(jié)信息,充分體現(xiàn)出三維建模精度和模型細(xì)節(jié)還原度都非常高。另外,此處巖畫位于整個(gè)巖畫范圍的最高處(即圖2的T字符處),巖面平整,區(qū)域較小,但仍然繪制了多組典型的駱越古人祭祀活動(dòng)儀式。每一組祭祀活動(dòng)儀式一般以一個(gè)高大魁梧、身佩刀劍的正身人為中心,其腳下有一狗,胯下或身旁置一面或數(shù)面銅鼓,下面有多個(gè)形體短小的側(cè)身人。

由圖3不同類型巖壁的巖畫細(xì)節(jié)可以看出,在平整、凹凸不平、棱角尖銳的巖畫區(qū)域,精細(xì)化三維模型所反映的各部分巖畫人物還原準(zhǔn)確,未出現(xiàn)重疊、拉花、還原不清晰等現(xiàn)象。三維模型表現(xiàn)出的紋理清晰,能夠真實(shí)反映人物的特征細(xì)節(jié),如身邊的配飾、武器等清晰可見,色彩飽和。由于本次貼近攝影測(cè)量的分辨率達(dá)毫米級(jí),因此三維模型能夠清晰還原花山巖面的每一處細(xì)節(jié),包括剝落的巖面、細(xì)小的裂縫、流水痕跡及形成的石鐘乳。

3.3 模型可量測(cè)性分析

本文貼近攝影測(cè)量的POS數(shù)據(jù)是基于GXCORS提供的差分改正信息進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)解算的,因此建立的三維模型測(cè)量基準(zhǔn)為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。利用該模型對(duì)花山巖畫各種空間細(xì)節(jié)進(jìn)行量測(cè)計(jì)算,其絕對(duì)定位精度可達(dá)分米級(jí)(受POS定位精度影響),而相對(duì)定位精度優(yōu)于1 cm(受模型分辨率影響)[15]。

利用該模型對(duì)花山巖畫覆蓋范圍進(jìn)行仔細(xì)辨析,定位出花山巖畫的最西、東、北、南4個(gè)位置,如圖2中的W、E、B、T位置。通過測(cè)定4個(gè)位置的大地坐標(biāo)(見表2),計(jì)算出花山巖畫東西直線跨度為174.45 m;T點(diǎn)大地高為163.33 m,B點(diǎn)大地高為125.35 m,上下高差約為37.98 m。

表2 基于三維模型的點(diǎn)坐標(biāo)提取

從花山巖畫三維模型中找到的最高人物像超過2.65 m,位于圖2中b區(qū)域右上方圓圈處,放大如圖4所示。該組人物像所處懸崖凹凸不平,常年累月受風(fēng)雨侵蝕,巖畫顏色已明顯變淡,存在被破壞的危險(xiǎn)。

圖4 花山巖畫最高人物像

4 結(jié) 論

本文以廣西崇左市寧明縣花山巖畫為研究對(duì)象,采用精靈4 RTK和經(jīng)緯M300 RTK無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行貼近攝影測(cè)量影像采集,經(jīng)影像數(shù)據(jù)預(yù)處理后,在ContextCapture軟件平臺(tái)上開展精細(xì)化三維建模,并此基礎(chǔ)上,對(duì)花山巖畫的三維模型精度、效果、可量測(cè)性進(jìn)行分析討論,結(jié)論如下。

(1)無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)提供了一種能夠近距離貼近測(cè)量對(duì)象進(jìn)行高分辨率影像數(shù)據(jù)采集的方法,有效解決了無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)難以近距離獲取被攝對(duì)象(尤其是豎立面)的超高清影像的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了快速、精細(xì)化的三維模型重建。

(2)通過無人機(jī)貼近攝影測(cè)量技術(shù)建立的花山巖畫三維模型的分辨率達(dá)毫米級(jí),整個(gè)巖畫還原清晰完整,人物、動(dòng)物、器物細(xì)節(jié)準(zhǔn)確、色彩飽和、信息豐富,模型可量測(cè)性強(qiáng),相對(duì)定位精度優(yōu)于1 cm,可為文物保護(hù)研究工作提供測(cè)量技術(shù)支撐。

(3)花山巖畫飽受了2000多年的風(fēng)吹雨淋,巖面遭受流水溶蝕而導(dǎo)致不同程度的剝落,造成巖畫不同程度的破壞,且這種自然損毀還在不斷地發(fā)展。本文研究成果為花山巖畫文物保護(hù)工作的開展提供了精細(xì)化的三維數(shù)字化檔案成果。

(4)貼近攝影測(cè)量具有其他攝影測(cè)量無法達(dá)到的精度,尤其是在自然文化遺產(chǎn)保護(hù)、高陡危巖體監(jiān)測(cè)等特殊工作環(huán)境下,具有傳統(tǒng)測(cè)量無法達(dá)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在實(shí)際生產(chǎn)中能夠顯著提高實(shí)景三維建模工作效率并有效節(jié)約成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。