無人機(jī)傾斜攝影在文化遺產(chǎn)土遺址保護(hù)中的技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已在世界文化遺產(chǎn)土遺址保護(hù)與監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，為遺址的監(jiān)測、評估和修復(fù)提供了更為直觀、精確的數(shù)據(jù)支持。文章以實際工作案例說明該技術(shù)在土遺址長城賦存環(huán)境監(jiān)測與病害測量中所發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；傾斜攝影；DOM；三維建模；測量

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.20.009

長城是中華民族的代表性符號和中華文明的重要象征。中國長城作為世界上體量最大的文化遺產(chǎn)，分布于我國15個省、自治區(qū)、直轄市，僅墻體就達(dá)21196.18 km，包括43721處遺產(chǎn)，附有眾多的城堡、城池、烽燧等大量遺跡①。使用傳統(tǒng)的人工調(diào)查、測量與監(jiān)測很顯然已經(jīng)不能滿足當(dāng)前世界文化遺產(chǎn)土遺址的保護(hù)研究工作。隨著科技進(jìn)步，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種新興的地理信息獲取與處理手段，已經(jīng)在災(zāi)害監(jiān)測②、應(yīng)急測繪③、搶險救災(zāi)、森林資源監(jiān)測④等領(lǐng)域有廣泛使用，發(fā)揮出了重要的作用。近年來，該技術(shù)在我國土遺址長城保護(hù)領(lǐng)域也得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。該技術(shù)在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用為遺址的監(jiān)測、評估和修復(fù)提供了更為直觀、精確的數(shù)據(jù)支持，為土遺址長城保護(hù)工作的開展提供了新的技術(shù)手段。本文以實際工作案例說明無人機(jī)傾斜攝影在土遺址嘉峪關(guān)二墩長城賦存環(huán)境監(jiān)測與二墩敵臺病害測量中的技術(shù)應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土遺址保護(hù)中的監(jiān)測與應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是一種通過使用傾斜角度相機(jī)拍攝圖像的方法來進(jìn)行測量和建模的技術(shù)。與傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術(shù)相比，傾斜攝影測量技術(shù)通過增大相機(jī)與目標(biāo)物體的傾斜角度，獲取更多立體信息。傾斜攝影測量技術(shù)通常采用特殊設(shè)計的航空相機(jī)或無人機(jī)搭載多個傾斜角度相機(jī)，同時采集多個角度的圖像。這些圖像在后續(xù)處理過程中通過圖像匹配、三維點云生成和建模軟件來生成高精度的三維模型。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有效提高保護(hù)巡查效率與病害監(jiān)測。無人機(jī)航攝優(yōu)點是機(jī)動性強(qiáng)、周期短、效率高，能輕松到達(dá)高危區(qū)域，快速獲取恒定地面分辨率、更小畸變的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高建模的真實性和準(zhǔn)確性⑤。

通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)應(yīng)用相關(guān)軟件處理，獲得DOM（Document Object Model縮寫，文檔對象模型）正射影像圖和三維模型，放大圖像對比監(jiān)測賦存環(huán)境變化情況，在三維模型中精準(zhǔn)測量病害數(shù)據(jù)，很大程度上提高了工作效率和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在實際工作中根據(jù)不同項目需求，可預(yù)先設(shè)計相應(yīng)的工作流程。

1.1 無人機(jī)航攝參數(shù)設(shè)置

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)被廣泛應(yīng)用之后，出現(xiàn)很多有關(guān)航攝規(guī)劃軟件，根據(jù)項目需要設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)無人機(jī)自動飛行采集相關(guān)區(qū)域影像。主要參數(shù)有航高、重疊度、航向、云臺俯仰角度、間隔時間或距離拍攝、飛行速度、起飛速度等。這里重點說明兩個重要參數(shù)，即航高和重疊度。

1.1.1 航高設(shè)置

航高是指攝影瞬間攝影飛機(jī)相對于某一所取基準(zhǔn)面的高度，按選取的基準(zhǔn)面不同可以分為絕對航高（相對于平均海平面的高度）和相對航高。航測前設(shè)計的航高為相對航高，它是相對于被攝區(qū)域內(nèi)地面平均高程基準(zhǔn)面設(shè)計航高的⑥。在實際工作中可根據(jù)需求設(shè)置航高，達(dá)到最佳影像分辨率。

1.1.2 重疊度設(shè)置

重疊度就是相鄰兩張照片的重疊部分占整個照片的百分比。航向內(nèi)同一航線相鄰兩張照片的重疊部分稱為“航向重疊”，相鄰航向的兩條航線相鄰照片的重疊部分稱為“旁向重疊”。無人機(jī)在實際航攝作業(yè)時，設(shè)計航向重疊度一般不低于65%，旁向重疊度一般不低于55%，傾斜航向重疊度和旁向重疊度分別不低于60%和50%，這樣可以避免由于外界環(huán)境因素影響導(dǎo)致航拍時出現(xiàn)漏拍的現(xiàn)象。

1.2 無人機(jī)外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

本案例使用的無人機(jī)型為大疆Inspire2，云臺相機(jī)為Zenmuse X5S，它采用4/3英寸CMOS影像傳感器，有效像素為2080萬。Zenmuse X5S配備高精度三軸增穩(wěn)云臺，控制精度為±0.01°，最大承受風(fēng)速10 m/s，抗風(fēng)能力不小于4級⑦，在飛行過程中可以拍出穩(wěn)定的畫面。

根據(jù)保護(hù)研究對象、拍攝區(qū)域的大小和航攝對象環(huán)境細(xì)節(jié)復(fù)雜程度決定要不要進(jìn)行像控點的布設(shè)。范圍小，環(huán)境單一，不需要布設(shè)像控點；范圍大，環(huán)境復(fù)雜，為確保模型的精細(xì)程度和模型不變形，就需要使用相應(yīng)設(shè)備布設(shè)像控點。像控點布設(shè)可基于《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范：CH/Z 3004—2010》⑧操作執(zhí)行。嘉峪關(guān)地處河西走廊中部，長城賦存環(huán)境相對單一，賦存環(huán)境監(jiān)測需要的是TIFF格式的高清DOM正射影像圖，只需設(shè)置好無人機(jī)的航高、相機(jī)俯仰角度和重疊度即可滿足需求。對于獨(dú)立烽火臺、敵臺等病害測量則需要高精度模型，無人機(jī)航攝參數(shù)設(shè)置就需要注意降低航高，提高照片分辨率，增加航線，提高重疊度，增加照片數(shù)量，調(diào)整相適應(yīng)的相機(jī)俯仰角度，獲得最佳目標(biāo)細(xì)節(jié)影像。在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集時需要注意以下幾點：

①相機(jī)質(zhì)量。決定影像精度的因素是多方面的，相機(jī)的焦距、像素、感應(yīng)器尺寸等都是影響獲取最佳影像的重要參數(shù)，同時影像質(zhì)量的高低決定模型的精度和分辨率。

②影像曝光。影像曝光過度或不足以及影像的重影、散焦與噪點等都嚴(yán)重影響三維模型的質(zhì)量。拍攝前調(diào)試好快門、光圈、ISO值等參數(shù)。

③運(yùn)動模糊。出現(xiàn)這個問題有兩方面因素：一是無人機(jī)速度過快，二是外界風(fēng)速過大。作業(yè)時為了縮短飛行時間、提高工作效率，就會提高無人機(jī)飛行速度，速度過快，曝光點拍攝時無人機(jī)飛行姿態(tài)不平穩(wěn)，就會產(chǎn)生照片模糊、影像定位獲取不準(zhǔn)確等問題，從而對空三處理中的連接匹配和三維重建中的匹配產(chǎn)生較大影響，最終導(dǎo)致模型精度降低、變形或建模失敗。

④POS系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。POS也就是無人機(jī)曝光位置的經(jīng)緯度。POS精度影響空三運(yùn)算的結(jié)果，進(jìn)而影響重建模型的細(xì)節(jié)和幾何形態(tài)，在相機(jī)、飛行高度等因素不變的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的POS能夠輔助還原完整的幾何細(xì)節(jié)，并提高空三效率。

⑤天氣因素。晴天，影像觀感好，但是會發(fā)生過曝和陰影較大，影響空三匹配精度；陰天，觀感一般，但影像顏色均勻，無陰影，匹配質(zhì)量高；大風(fēng)天氣，無人機(jī)穩(wěn)定性降低，相機(jī)輕微擺動，拍攝瞬間地面物體在攝像機(jī)上的投影可能產(chǎn)生位移，像點移動，造成影像模糊⑨。

⑥影像數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，對影像模糊、錯位、扭曲、變形等問題進(jìn)行預(yù)處理⑩，這是影響后期成果精度因素之一。影像質(zhì)量存在問題，最好對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，選擇同一機(jī)型、同一時段、相同天氣，這是因為時段不同、天氣不同，有可能補(bǔ)采到的影像陰影方向不同、長度不同、亮度不同，導(dǎo)致最終成果出現(xiàn)色差、相鄰影像陰影相反、亮度不均勻等現(xiàn)象。

1.2.1 二墩長城賦存環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

航線規(guī)劃：航線總長度9584 m，航高110 m，重疊度航向80%，旁向70%，鏡頭俯仰角度-90°，分辨率4.8 cm，光圈值f/5，曝光時間1/320，ISO速度100，焦距15 mm，時間23＇48＂，照片數(shù)量336張。

1.2.2 二墩敵臺三維建模數(shù)據(jù)

航線規(guī)劃：航線總長度7745 m，航高50 m，重疊度航向85%，旁向75%，傾斜重疊度航向80%，旁向70%，鏡頭俯仰角度-55°，光圈值f/5，曝光時間1/240，ISO速度100，焦距15 mm，時間30＇22＂，照片數(shù)量694張。

1.3 內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理

對前期外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，符合要求后，根據(jù)目標(biāo)需要應(yīng)用相關(guān)專業(yè)軟件進(jìn)行處理，生成所需賦存環(huán)境DOM正射影像圖和三維模型。

1.3.1 二墩長城賦存環(huán)境影像數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Pix4Dmapper軟件，首先對所采集的影像進(jìn)行預(yù)覽檢查，對有扭曲、變形、拉花等現(xiàn)象的圖像進(jìn)行預(yù)處理，待所有影像符合要求后打開軟件創(chuàng)建工程，導(dǎo)入航攝影像，選擇自動識別圖像地理位置信息，在處理選項模板位置選擇3D Maps，此時軟件開始自動處理數(shù)據(jù)，快速生成一個DOM和DSM預(yù)覽圖，預(yù)覽的目的是目視檢查初始化處理的質(zhì)量。如果正攝影像圖是扭曲變形的，那么可能是項目的定位存在問題或者需要控制點來控制精度和方向。如果DSM存在大的裂縫或分塊，有可能是重建時分成了多個區(qū)塊或是影像重疊度較低造成的。通過前期預(yù)覽圖分析，圖像如果有上述現(xiàn)象，可對該影像相對應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行復(fù)飛重新采集影像。

影像初始位置俯視圖，主要是查看影像地理位置。如果俯視圖與飛行計劃不對應(yīng)，有可能在匹配、方向、比例或地理位置等幾個方面存在問題。檢查影像坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)是否正確。

影像重疊度如圖1所示，這是校準(zhǔn)后正攝影像圖上每個像素重疊影像的數(shù)量。紅色區(qū)域表示重疊率過低，重疊率過低會導(dǎo)致3D重建成果質(zhì)量較低。重疊率是決定整體質(zhì)量的重要參數(shù)。對于高質(zhì)量的3D建模和應(yīng)用，重疊圖應(yīng)為綠色，即每個像素至少在5個影像中可見。

1.3.2 二墩敵臺三維建模數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用ContextCapture軟件。創(chuàng)建工程，導(dǎo)入外業(yè)采集影像，提交空中三角測量計算，設(shè)置參數(shù)，生產(chǎn)項目定義為三維網(wǎng)格，注意在重建項目中空間框架欄目切塊模式選擇規(guī)則平面格網(wǎng)切塊，調(diào)整瓦片大小，適于電腦配置，提高運(yùn)算速度。設(shè)置好各項參數(shù)之后，提交項目，軟件自動處理。生成的三維模型應(yīng)用ContextCapture Viewer查看工具打開，選擇測量工具就可以做到精準(zhǔn)量測病害區(qū)的高度（Height，縮寫H）、寬度（Width，縮寫W）、面積、體積和病害區(qū)域的周長。敵臺西側(cè)病害測量如圖2、圖3所示。病害測量結(jié)果如表1所示。

1.4 成果分析

Pix4Dmapper生成TIFF高清DOM圖對長城賦存環(huán)境的監(jiān)測范圍廣，圖像更清晰，效率更高，結(jié)果更準(zhǔn)確，監(jiān)測圖放大200%環(huán)境中地物地貌細(xì)節(jié)變化依然清晰可辨，達(dá)到對其賦存環(huán)境變化監(jiān)測的目的。

建成高精度的三維模型，對敵臺病害高、寬、面積等數(shù)據(jù)的測量更為準(zhǔn)確，避免了人工測量誤差大帶來的不利因素。長期跟蹤監(jiān)測，建立數(shù)據(jù)庫，對病害發(fā)育速度和危害程度有一個詳細(xì)了解和掌握，為后期維修保養(yǎng)提供詳實數(shù)據(jù)支持。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土遺址保護(hù)與監(jiān)測中的作用

無人機(jī)傾斜攝影、高清衛(wèi)星影像等高科技技術(shù)在土遺址保護(hù)中發(fā)揮出明顯的效果。首先，無人機(jī)不受時間、地域、氣候等影響，可隨時起飛對監(jiān)測范圍進(jìn)行全方位照片和視頻拍攝，利用飛控軟件規(guī)劃同一航線、同一高度、同一重疊度進(jìn)行航攝，建立該區(qū)域航攝影像數(shù)據(jù)庫，對該區(qū)域多次監(jiān)測影像進(jìn)行對比，就能夠及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控地帶的變化情況。其次，通過傾斜攝影技術(shù)生成的三維模型可以無限接近真實的長城、敵臺、烽火臺等及其周圍環(huán)境的空間三維模型，保存其原有的空間面貌特征，實現(xiàn)科學(xué)、高精度和永久的數(shù)字化保存，為修復(fù)與保護(hù)提供準(zhǔn)確的第一手資料，即使發(fā)生地震、戰(zhàn)爭等破壞活動也能為完成修復(fù)、重建等提供重要依據(jù)k。

3 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土遺址長城保護(hù)與監(jiān)測中的應(yīng)用具有重大意義。它為土遺址的監(jiān)測、評估、修復(fù)和展示提供了精確、直觀的數(shù)據(jù)支持，為我國土遺址長城保護(hù)工作的開展提供了新的技術(shù)手段。隨著傾斜攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，其在土遺址保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，為我國土遺址的保護(hù)事業(yè)注入新的活力。

注釋

①k吳國強(qiáng)，楊俊健，徐鵬，等.現(xiàn)代高新技術(shù)用于古老長城遺址保護(hù)研究中的思考[C]//中國長城學(xué)會.遙感技術(shù)在長城保護(hù)中的應(yīng)用國際研討會.[出版者不詳]，2014.

②周占成，朱陳明.無人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取DOM的技術(shù)研究[J].測繪標(biāo)準(zhǔn)化，2011，27（3）：16-18.

③雷添杰，李長春，何孝瑩.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2011，20（1）：178-183.

④任艷中，王弟，李鐵濤，等.無人機(jī)遙感在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2020，36（8）：117-124.

⑤羅衛(wèi)，李林輝，張林杰，等.無人機(jī)仿地傾斜攝影建模精度淺析[J].北京測繪，2023，37（9）：1214-1217.

⑥韓文軍，雷遠(yuǎn)華，周學(xué)文.無人機(jī)航測技術(shù)及其在電網(wǎng)工程建設(shè)中的應(yīng)用探討[J].電力勘測設(shè)計，2010（3）：62-67.

⑦錢尊巖.低空無人機(jī)遙感在油田測量中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究[D].青島：中國石油大學(xué)（華東），2012.

⑧國家測繪局.低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范：CH/Z 3004—2010[S].北京：測繪出版社，2010.

⑨田曉程.關(guān)于攝影測量精度影響因素探討[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（18）：1-4.

⑩敖其勇，潘國兵，龔洲，等.無人機(jī)斜面貼近攝影測量的三維航線規(guī)劃研究[J].時空信息學(xué)報，2023，30（4）：500-507.