回转多基线数字近景摄影测量在文物保护中的应用

烟雷刚 李天子

【摘 要】以非量测性的数码相机高精度几何标定技术和回转多基线数字近景摄影测量技术为基础，设计出用文物三维建模的技术流程，经过理论研究和实验数据结果分析，验证了近景摄影测量用于文物建模的精度和可行性，为古文物三维建模提供了便捷、可靠的途径。

【关键词】几何定标；多基线近景摄影测量；文物保护

0.引言

近景摄影测量作为一种非接触的性测量手段，拥有体积小、重量轻、价格低廉、应用灵活方便、聚焦范围广、可以随意定向等自身特点；同时可瞬间获取地表的大量物理信息和几何信息[1]，形成密集点云和三维可视化等产品，弥补了传统测量劳动强度大、精度低、作业复杂等缺陷[2]。已经成为古文物三维建模的一项重要手段。

随着CCD技术的发展，非量测数码相机在近景摄影测量中得到了广泛应用。但非量测数码相机镜头畸变大，像主点不在CCD几何中心上，CCD面阵内畸变等，使得图像畸变大，直接使用，测量精度低。因此实现非量测相机的量测化，影像的纠正成为一项必要的工作[3]。同时，在近景摄影测量中引入新的机制、新的数据获取方式、 新的影像匹配算法、产生一套新的数字近景摄影测量的理论-多基线数字近景摄影测量[4]。

总结出利用非量测相机和多基线近景摄影测量技术对古文物三维建模和可视化的近景摄影测量方法和基本流程，提高近景摄影测量为文物保护提供高精度的可靠数据的效率，成为一项非常必要的工作。

2.非量测数码相机几何标定

2.1非量测数码相机检校

非量测数码相机镜头畸变大，像主点不在CCD几何中心上，存在CCD面阵内畸变等，使得获取的影像畸变大。而近景摄影测量软件lensphoto需要相机检校参数，否则会增加像点坐标量测误差。因此实现非量测相机的量测化，即相机检校和影像的纠正成为近景摄影测量前的一项必要工作。

Lensphoto软件计算机屏幕检校的方法，该方法检校经稳固加工后的cannon eos 450D相机，如图1所示。为适应本实验任务要求，相机调焦至无穷远，为使检校场影像清晰，屏幕在相机超焦点距离之外，共需要拍摄影像108张，检校工作量巨大；且屏幕控制场在每张影像所占的比例过小，严重降低了检校参数的精度。

该软件检校参数除像主点坐标外，包括径向畸变参数k1、k2和偏心畸变参数p1、p2，公式如下：

ki（i=1，2）是描述该物镜系统径向畸变的系数，r为该像点的径向。r可用以下近似公式计算：

r= 式中（x，y）是该像点坐标，（x0，y0） 是像主点坐标。

该公式并不完整，实验证明（参考下面检校场检校法），径向畸变参数取至k1，k2精度不能满足地表沉降监测需要；且除径向畸变和偏心畸变外，数码相机还有面阵内畸变。

采用基于Australis 软件大型检校场的检校方法，满足控制场在相机超焦点距离之外，且只需24张影像，检校工作量小。该软件采用的检校参数除像主点坐标外，包括径向畸变参数k1、k2、k3，偏心畸变参数p1、p2和面阵内畸变参数b1、b2，公式如下 [4]：

2.2 影像预处理

运用检校获得的畸变参数，进行了影像重采样。经对比最邻近像元、双线性和双三次卷积三种卷积核，双线性差值法能精度满足要求，且效率较高（原理如图2）。

图2双线性插值原理图

I（Q）=（1-△x）（1-△y）I11+（1-△x）△YI12+△x（1-△y）I21+△x△yI22

Iij （=1，2）表示ij点的灰度值，I（P）表示P点的灰度值[5]。

3.外业数据采集

外业数据采集包括控制测量数据的采集和影像数据的采集。为把近景摄影测量网纳入到物方高斯投影的平面直角坐标系中，进行了控制测量。为提高控制测量精度，使其精度满足地面沉降监测的近景摄影测量控制测量的精度需要，采用前方交会测平面坐标，三等水准测高程的方法。在影像数据采集方面，为提高影像的相对定向精度和数据处理的可靠性，采用了回转多基线摄影方式进行影像数据采集。

3.1控制测量数据采集

平面坐标采用全站仪闭合导线方法，难以满足文物测量的精度要求。因为控制网建立过程中，选择精度适宜的精密角度测量设备容易满足要求。但是选择精密长度测量手段，却难以顺心。因此，平面坐标的测量，采用全站仪角度的前方交会，精度满足沉降监测要求。高程采用水准测量方式，采用四等水准，可满足高程精度要求，这里不再赘述。

在已知两点A（XA、YA、ZA）、B（XB、YB、ZB）上架设全站仪，前方交会测定待定点P（XP、YP）坐标，如图3所示：

前方交会平面点位坐标中误差MP的关系式为：

式中：

mA、mB：测站点A、B的点位中误差；

m：内角A、B的测角中误差；

S：基线AB的长度；

3.2影像数据采集

多基线摄影测量相邻影像交会角“小”，易于匹配；多基线，总体交会角“大”，确保交会精度；同时多方向交会，使前方交会具有多余（冗余）观测，能够增加影像匹配的可靠性。因此是近景数字摄影测量理论与实践的重要发展方向之一。根据摄影目标大小，摄影距离，本例采用回转多基线摄影方式[4]，即在常规两摄站交向摄影的基础上再增加几个摄站。

多基线立体匹配技术具有以下特点：一方面由于相邻相片之间的基线较短，影像变形相对较小，从而有利于自动化匹配的顺利进行。另一方面由于非相邻相片之间也具有较大重叠度，则利用相邻相片的同名点进行匹配传递可以获取具有多度重叠的同名点。显然，通过这种匹配技术获取的每组同名点具有大量的多余观测，若使用选权迭代法获取观测值的权值并利用多片前交进行平差计算，则可以大大提高模型点坐标计算的可靠性和精度。由于同名点不断通过相邻相片进行传递，直到无法匹配为止，这样对不同的模型点具有不同的重叠度。由于影像数据增多，为了提高匹配速度，可以采用金字塔匹配技术，而具体的单点匹配算法可以采用相关系数匹配和最小二乘匹配。

本例选择的文物为较有代表性的圆周型文物，为使影像完成自动匹配，采用每转10°拍摄一张影像的方式，共拍摄36张影像。但数据处理过程中，不能在一个测区内处理，需要分为四个测区，做影像匹配，空三交互，区域网平差，生成点云完毕后，再做测区拼接和整体平差，最后在整体点云上做纹理粘贴，形成三维可视化的模型。

4.数据处理与实验分析

实验选择的对象是河南理工大学名誉校董孙越崎的铜像，该铜像包括基座和像身两部分，基座为约变长60cm的正六面体，像身在几座正上方，高约150m，基座和像身共高月210cm。观测时间2011年7月。

摄影采用Cannon EOS 450D相机，相机镜头为变焦镜头，经过简单的固定，固定焦距35mm，CCD尺寸：4272×2848像素，像元宽度5.2μm。回转多基线正直摄影方式，共拍摄36张影像。

共分四个测区内，每个测区内均匀布设7个控制点。控制点的测量，平面坐标采用全站仪前方交会，外围控制网高程采用四等水准精度评定：Mp=5.2mm，MH=4.3mm。

作自由网平差，平差后中误差为：0.00088mm，匹配精度远小于1/2个像元的有效数据要求，满足软件限差要求。匹配点如图4所示。

图4 自由网平差图

进一步约束平差，得到7个点的精度统计报告，在X、Y、Z三个方向上的中误差分别为：±0.0034m、±0.0039m、±0.0026m，在X、Y、Z三个方向上基本达到1/2象元精度。生成点云如图5所示。

图5 铜像点云及三维可视化图

另一实验为河南理工大学测绘学院门前院名石，生成的点云和三维可视化图像如下图6所示：

图6 院名石点云和三维可视化图

5.结束语

本文从理论和实验两方面阐述了使用普通数码相机，经过简单固定和高精度检校，用于古文物高精度三维建模的可行性；为达到要求的摄影精度，控制测量采用过了高精度工业控制测量方案，摄影方式综合考虑和摄影测量的几何关系和影像匹配，采用回转多基线摄影方式，经过lensphoto软件数据处理，并得到了满意的成果，为古文物的三维建模提供了有益的借鉴。但限于lensphoto软件的编辑功能有限，建模方面需要进一步开发模型编辑功能，使模型更加美观。

【参考文献】

[1]冯文灏.近景摄影测量[M].武汉大学出版社，2002.

[2]杨化超，邓喀中等.数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究[J].中国图象图形学报，2008，13（6）：519.

[3]李天子，郭辉.非量测数码相机的影像纠正[J].测绘通报，2006，（10）：59-63.

[4]张祖勋.多基线-数字近景摄影测量[J].地理空间信息，2007，5（1）：1-4.

[5]张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉大学出版社，2002.