貼近攝影測量技術在物質文化遺產三維建模中的應用

羅曉丹,賴明治,盧 燕,呂新強,凌聰聰,黃 宇

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

我國物質文化遺產數量豐富,擁有巨大的歷史價值。通過歷史文物可以了解社會發展情況,為探索人類社會歷史發展提供重要參考[1]。物質文化文物保護研究的困難性在于,其為不可再生資源,一旦破壞就難以復原。因此,一方面要盡可能長久地保護文物不受到破壞,另一方面要采取措施,對文物進行數字化,使受損文物有得以修復的依據[2]。

文獻[3]提出了貼近攝影測量技術,即利用無人機平臺搭載超高像素攝影設備,近距離貼近物體表面進行攝影,獲取超高清影像數據,以實現對物體的坐標和結構等地理信息的精細化提取。貼近攝影測量技術可以有效地彌補常規傾斜攝影測量技術帶來的紋理損失問題,為精細化三維建模提供高清晰度的紋理細節。已有學者將貼近攝影測量技術應用到瀕危民族建筑部件保護[4]、高陡危巖體結構面調查[5]等實景三維建模工作中。本文以廣西寧明花山巖畫為例,采用無人機貼近攝影測量技術開展花山巖畫實景三維建模技術研究,以期為文物保護等涉及地理空間信息采集的相關領域提供精細化實景三維建模技術參考。

1 貼近攝影測量關鍵技術

1.1 精細化航線規劃

為保證無人機安全、自動的貼近飛行,需在目標初始場景信息的引導下進行航線規劃。精細化三維模型的航線參數設計包括無人機的飛行方式、拍攝時的位置姿態、拍攝距離、影像重疊度、無人機航線模式等。與常規的無人機數據采集航線設計不同,貼近攝影測量航線規劃以目標場景信息為基礎,根據目標表面的特點(如坡度、凹凸情況),設計對應的貼近航線規劃方法,從而讓無人機能夠高效獲取被攝物的精細化影像數據[6]。因此,貼近航線規劃是無人機貼近攝影測量的一個重要環節。

1.2 空中三角測量

空中三角測量的目的是恢復影像間的相互位置關系,計算出影像的位置姿態參數,獲得目標場景的稀疏點云,為模型的精細化三維重建服務。貼近攝影測量采集的影像數據有兩個特點:①有較規則的航帶,但其飛行軌跡與目標表面相關,而不是分布在水平面上;②影像拍攝時的位置和姿態參數是根據航跡規劃結果確定的,如外方位元素的初值。因此,通過精細化航線采集影像數據,利用已有POS信息提高空中三角測量的數據處理效率,是貼近攝影測量的另一個關鍵技術[7]。

1.3 三維重建

空中三角測量后貼近攝影測量影像的位置參數便得以還原,同時可以得到被攝物體的點云數據。三維模型建立的過程就是通過TIN密集匹配構建模型三角網,對TIN模型進行密集匹配便可得到三維模型的白模結構,模型的白模結構經紋理映射后即可生成精細化三維模型[8]。

2 數據獲取與數據處理

貼近攝影測量在實際應用中的工作流程主要有兩個方面:一是用無人機傾斜攝影測量采集目標場景影像,進行初始地形場景信息三維重建;二是根據初始場景信息進行無人機精細化航線設計,使無人機貼近被攝物體進行拍攝,以獲得物體表面高分辨率影像數據[9]。

2.1 研究區概況

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、動物、器物1900多個。陡峭巖面凹凸不平,風化較嚴重,巖畫前方樹木遮擋多,地理環境復雜。

2.2 初始地形模型影像獲取

2.3 精細化模型影像獲取

航跡大師 (WayPoint Master)是一款針對大疆無人機攝影測量而設計的專業級航線定制軟件。將花山巖畫初始地形模型導入航跡大師軟件中,利用點云航線設計功能,可根據崖面實際凹凸情況自動計算出每個航點到巖面的準確距離。在航飛中保持相對航高一致,以避免無人機飛行航高變化帶來的分辨率差異問題[11]。

采用經緯M300 RTK四旋翼無人機搭載禪思P1 航測相機獲取精細化模型影像數據?；ㄉ綆r畫精細化航線設計參數設置地面分辨率為0.002 m,進行貼近巖面5.5 m的等距拍攝,具體參數見表1。通過精細化航線設計,采用自下而上“弓”字形自主飛行,完成77條精細化航線貼近攝影測量,采集到6979張相片。

表1 貼近攝影測量精細化航線參數設計

2.4 無人機影像數據處理

外業無人機精細化攝影測量結束后,為了能夠順利建立無人機影像三維模型,首先,需要對影像數據進行預處理,剔除光照條件差、陰影面積較大的影像;將經過預處理后的影像數據導入Context Capture軟件進行三維重建,由軟件自動檢測和匹配同名像點,利用多像觀測原理自動選擇最佳像對模型;生成密集點云數據后經轉換得到不規則TIN結構網,如圖1(a)所示。然后,對TIN結構網進一步優化后生成三維白模,如圖1(b)所示。最后,軟件基于內在幾何關系自動提取位置對應的紋理信息映射至三維白模,最終建立精細化三維模型[12],如圖1(c)所示。

圖1 花山巖畫建模

建立的精細化三維模型若出現空洞或凹陷等常見問題,則需要重新采用人工方式操控無人機對存在問題的區域重新進行貼近攝影測量,并重新進行影像數據處理。

3 三維建模效果分析

3.1 模型質量評價

本次精細化航線參數設計綜合考慮了重疊度、垂直距離、飛行速度、影像分辨率等技術指標[13],采集到的貼近影像質量好、數據冗余度高。內業三維模型重建一次通過,質量報告顯示的三維模型分辨率達0.003 m,能夠充分復原建模對象原始紋理和結構細節。

3.2 模型效果分析

根據《城市三維建模技術規范》[14]要求,對本次重建的精細化三維模型進行效果分析。根據花山巖畫所處巖壁空間分布情況和巖畫數量,選取局部特征區域對精細化三維模型細節進行建模效果分析。如圖2所示,4個特征區域(a、b、c、d)較均勻地分布在整個研究區域,W、E、B、T分別為花山巖畫范圍的西、東、南、北邊緣。

圖2 花山巖畫局部細節空間分布

圖3為對應花山巖畫4個特征區域的三維模型精細紋理。由所還原巖畫的細節可以看出,古人采用抽象畫法將各種人物、動物、器物繪在懸崖相對平整的巖面上,活動場景細節豐富,動作逼真。巖面細節建模細致,細小的裂縫和陰影均能清晰復原出來。

圖3 花山巖畫三維模型精細紋理

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,該區域的巖畫人物數量較少;盡管巖畫人物數量少,但左邊區域跳舞人物身材魁梧,腰間佩劍清晰可見。三維模型同時精細復原了局部巖面被風化脫落的細節,該區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。計算得ROR-γt、Foxp3和β-actin基因的擴增效率分別為96%、98%和95%，擴增效率接近于100%，擴增效率達到最佳，因此所用比較Ct的2-ΔΔCt法計算的基因相對表達量結果更接近于真實值，ROR-γt(A)、Foxp3(B)和 β-actin(C)基因各組的擴增曲線，見圖1。

圖3(b)巖面較平整,所處高度也較低,古人選擇這類區域進行繪畫較容易。該區域巖畫包括大量的人物、動物及器物。人物圖像多以正身、側身兩個角度,畫出頭、頸、軀體及四肢;動物圖像主要是畫側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?；ㄉ綆r畫可能是一種巫術文化遺跡,巖畫活靈活現地記錄了一場場莊嚴而又歡快的祭祀活動。

圖3(c)巖面往外凸出,石灰質巖石遭受流水溶蝕往下凹陷導致巖面很不平整。該區域僅有1組巖畫,且選擇在巖面側方略為平整的凹陷處進行繪畫。由于所處位置特殊,三維建模處理要求技術難度大,如不采用貼近攝影測量技術進行航攝,幾乎無法高仿真地復原其形態細節。

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節信息,充分體現出三維建模精度和模型細節還原度都非常高。另外,此處巖畫位于整個巖畫范圍的最高處(即圖2的T字符處),巖面平整,區域較小,但仍然繪制了多組典型的駱越古人祭祀活動儀式。每一組祭祀活動儀式一般以一個高大魁梧、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面銅鼓,下面有多個形體短小的側身人。

由圖3不同類型巖壁的巖畫細節可以看出,在平整、凹凸不平、棱角尖銳的巖畫區域,精細化三維模型所反映的各部分巖畫人物還原準確,未出現重疊、拉花、還原不清晰等現象。三維模型表現出的紋理清晰,能夠真實反映人物的特征細節,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量的分辨率達毫米級,因此三維模型能夠清晰還原花山巖面的每一處細節,包括剝落的巖面、細小的裂縫、流水痕跡及形成的石鐘乳。

3.3 模型可量測性分析

本文貼近攝影測量的POS數據是基于GXCORS提供的差分改正信息進行GNSS數據解算的,因此建立的三維模型測量基準為2000國家大地坐標系。利用該模型對花山巖畫各種空間細節進行量測計算,其絕對定位精度可達分米級(受POS定位精度影響),而相對定位精度優于1 cm(受模型分辨率影響)[15]。

利用該模型對花山巖畫覆蓋范圍進行仔細辨析,定位出花山巖畫的最西、東、北、南4個位置,如圖2中的W、E、B、T位置。通過測定4個位置的大地坐標(見表2),計算出花山巖畫東西直線跨度為174.45 m;T點大地高為163.33 m,B點大地高為125.35 m,上下高差約為37.98 m。

表2 基于三維模型的點坐標提取

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,常年累月受風雨侵蝕,巖畫顏色已明顯變淡,存在被破壞的危險。

圖4 花山巖畫最高人物像

4 結 論

本文以廣西崇左市寧明縣花山巖畫為研究對象,采用精靈4 RTK和經緯M300 RTK無人機平臺進行貼近攝影測量影像采集,經影像數據預處理后,在ContextCapture軟件平臺上開展精細化三維建模,并此基礎上,對花山巖畫的三維模型精度、效果、可量測性進行分析討論,結論如下。

(1)無人機貼近攝影測量技術提供了一種能夠近距離貼近測量對象進行高分辨率影像數據采集的方法,有效解決了無人機攝影測量技術難以近距離獲取被攝對象(尤其是豎立面)的超高清影像的技術難題,實現了快速、精細化的三維模型重建。

(2)通過無人機貼近攝影測量技術建立的花山巖畫三維模型的分辨率達毫米級,整個巖畫還原清晰完整,人物、動物、器物細節準確、色彩飽和、信息豐富,模型可量測性強,相對定位精度優于1 cm,可為文物保護研究工作提供測量技術支撐。

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

(4)貼近攝影測量具有其他攝影測量無法達到的精度,尤其是在自然文化遺產保護、高陡危巖體監測等特殊工作環境下,具有傳統測量無法達到的技術優勢,在實際生產中能夠顯著提高實景三維建模工作效率并有效節約成本,具有良好的經濟效益和推廣應用前景。