新型测绘技术在双槐树遗址地形图编绘中的应用

□赵向莉 孙晓飞

双槐树遗址位于河南省巩义市河洛镇双槐树村南边的高台地上，是一处距今约5300 年的都邑性聚落遗址，遗址现存东西长约1500 米、南北宽约780 米。经考古调查、勘探与发掘，发现有环壕、夯土基址、墓葬、灰坑、人祭坑、兽骨坑等重要遗迹，并出土了丰富的新石器时代遗物[1]，2021 年4月13 日，双槐树遗址入选“2020 年度全国十大考古新发现”；2021 年10 月18 日，入选全国“百年百大考古发现”。

为保证双槐树遗址重要文化遗存资料的系统性、完整性、全面性、准确性，郑州市文物考古研究院采用新型测绘技术 （无人机航测技术、 网络CORSE 系统、三维实景建模和裸眼测图技术等）获取遗址本体及周边环境的基础信息数据资料，完成该遗址区域及周边环境的航测数据获取、图像控点测量、实景三维模型创建、正射影像图制作和1∶2000遗址地形图采集与编辑。 遗址地形图范围以双槐树遗址核心区为中心， 北至沿黄快速通道、南至连霍高速公路、西至工厂围墙、东至自然沟，方圆约3.2 平方千米。 测区南部和北部为山地，地形较为复杂；中部区域在高台地上，地势较为平坦，以农田为主，交通较为便利。

一、设备选用

双槐树遗址外业数据获取主要选用安尔康姆MD4-1000 无人机搭载索尼a7相机、华测I80GPS RTK（全球卫星定位系统）及千寻CORS（连续运行卫星定位）系统， 内业数据处理软件主要采用Context Capture（三维实景建模）和EPS 地理信息工作站。安尔康姆MD4-1000 无人机具有稳定性强、续航时间长、可规划航线获取影像等优势，索尼a7 相机获取影像清晰度高。 通过Context Capture 和EPS 地理信息工作站对外业数据进行处理， 可完成遗址区域三维模型重建、 正射影像图制作和遗址地形图的编绘，具有处理效率高、成果质量佳、易被考古工作者掌握等优势。

二、数据采集

1.航线规划。依据双槐树遗址1∶2000 地形图、遗址三维模型和正射影像等成果要求及相关规范进行航线规划， 基于Google Earth （谷歌地球）和MdCockpit 软件，规划航线航高为150 米，旁向重叠率65%，航向重叠率75%，飞行速度8 米/秒，影像获取时间间隔3 秒，规划航线如图1 所示。

图1 双槐树遗址规划航线示意图

2.数据获取。 数据获取包括遗址航测影像数据获取和控制点测量两部分内容。 其中遗址航测影像数据采集， 依据图1 可知飞行时间约需101分钟。 受无人机电池续航时间（23 分钟）限制，在保证飞行器安全和影像质量的前提下， 我们将规划总航线优化为7 条分航线， 每个架次飞行一条航线。 每个架次飞行结束后， 检查所采集影像质量、POS 数据数量及飞行器各项参数，确定信息完整、准确无误，再执行下一条航线飞行任务。 由于该遗址核心区域处于高台地上，风相对较大，特别需要关注天气情况，需在无风或微风、天气晴朗、阴影少的环境下执行飞行任务。 确保飞行器在视野范围内作业， 可借助望远镜观察飞行器飞行姿态，保证飞行器安全。

控制点测量是航测外业数据采集的重要部分，由于该遗址范围内以田地、山坡为主，控制点多选在居民区、 道路等区域。 控制点测量采用华测I80 GPS RTK、千寻CORS 系统，坐标系统选用国家2000坐标系统，选取道路标志线交点，以台阶、水渠等明显线状、面状地物交点等特征点作为控制点、检查点，测量其特征点x、y、z。在遗址区范围内测量多个控制点数据，依据所测的控制点数据，在对应影像进行综合判读，选出影像清晰度高、不被障碍物遮挡、利于内业刺点的5 个点（表1）作为控制点。

表1 控制点一览表

3.数据处理。 把外业获取的影像、导出的POS数据和控制点数据整理至同一文件夹， 编辑POS 数据编号与影像编号一致。

基 于 Context Capture 软件，新建工程（设置英文工程名称、存储路径），导入数据（导入影像数据、POS 点数据）， 导入控制点数据，提交空中三角测量创建任务。 导入POS 点和控制点数据时需选定WGS84 坐标系统和国家2000 坐标系统（中央经线114°）。

为提高空中三角测量创建效率，首先分别基于“use photo positioning metadata for rigid registration”（使用照片定位详细数据进行刚性配准）和“use photo positioning metadata for adjustment”（使用照片定位详细数据进行调整）提交空中三角测量。 在基于POS数据创建空中三角测量的基础上， 分别对导入的5个控制点在对应影像上进行刺点（Shift+左键），每个控制点刺4～8 张照片。控制点刺点结束，再基于“use control points for rigid registration”（使用控制点进行刚性配准）及“use control points for adjustment”（使用控制点进行调整） 两种模式分别提交空中三角测量。两次空中三角测量创建成功后，所刺控制点标志绿色显示（图2），空中三角测量质量报告中显示控制点精度如图3 所示， 绿色表示重投影误差小，精度高，空中三角测量创建成功。

图2 基于控制点模式创建空中三角测量后控制点标志显示

图3 空中三角测量质量报告中控制点精度

依据空中三角测量质量报告中关于控制点精度、重叠率等参数可知，空中三角测量成果满足相关规范要求，可进入三维模型创建阶段。需定义创建产品的相关参数，基于“3D mesh”模式，设置三维模型数据格式为OSGB，瓦片模式为规则二维网格，选定国家2000 坐标系统。 依据计算机内存进行单块瓦片大小设定 （单块瓦片处理过程中所占计算机内存不超过总内存的2/3），双槐树遗址影像数据处理所用的戴尔计算机内存是64GB，单块瓦片设置为300 meters， 单块瓦片所耗最大内存为32GB， 共分为48 个瓦片， 提交三维模型重建任务。 遗址本体及周边环境三维重建共用时大约50个小时，生成双槐树遗址三维模型（图4）成果数据。通过Acute3D Viewer 软件对模型进行全方位、多角度浏览，可查询遗址范围内任意点、线、面的三维坐标、长度、宽度和面积等。

图4 双槐树遗址三维模型

把双槐树遗址三维模型导入Acute3D Viewer进行浏览，经查阅该遗址模型完整、质量较好。在遗址三维模型基础上创建遗址的正射影像，新建正射影像产品，定义相应参数，基于Orthophoto/DSM模式，设置采样间距0.023 米，设置最大图像零件尺寸4096 像素为默认值，选择影像格式tiff，提交正射影像任务。 由于Context Capture 软件生产的正射影像有多个瓦片数据，因此需利用ArcMap 软件对生成的正射影像分块数据进行合并， 得到一张完整、高分辨率的正射影像图，如图5 所示。

图5 双槐树遗址正射影像图

4.DLG（数字线划地图）数据采集与编辑。 双槐树遗址外业数据采集，内业数据处理，生成遗址的三维模型、正射影像图等成果，为遗址大比例尺地形图编绘提供了基础信息数据的支持。 基于上述成果资料，采用EPS 地理信息工作站系统，完成1∶2000 大比例尺地形图数据采集与编辑。 通过二维、三维交互采集采编一体化，直接对地物进行采集测图，相对于传统的立体像对测图，提高了遗址地形图成图效率。

通过“三维测图”菜单下“OSGB 格式转换”命令，将模型数据OSGB 格式转换为DSM 格式。 执行“加载模型数据”“加载超大影像”操作命令，加载DSM 格式的模型数据及正射影像到软件中，形成二维、三维联动测图窗口，如图6 所示。在二维、三维联动窗口内，依据《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》等相关规范，对道路、陡坎、房屋、田埂等地理信息采集与编辑，并通过“提取高程点”命令采集地貌特征点高程点数据，依据高程点数据生成等高距为1 米的等高线。依据影像图和编绘的地形图进行实地调绘， 重点对图形编绘时有疑问的地物、 地形等进行查看，必要时进行实地补测， 再依据外业调绘成果资料对地形图进行更新、整饬，确保地物、地形等信息准确、完整，完成双槐树遗址地形图编绘（图7）。

图6 基于EPS 形成二维、三维联动测图

图7 双槐树遗址地形示意图局部（1:2000）

5.成果数量及质量情况。 双槐树遗址航测面积约3.2 平方千米， 按照规划航线共飞行7 个架次， 照片数量共1726 张。 单张照片分辨率为7360×4912，地物清晰，色调均匀、一致，质量佳。POS 点数据完整， 与影像数据相对应。 控制点数量、精度等满足空中三角测量任务要求，所生成的三维模型、正射影像图分辨率均满足1∶2000 遗址地形图编绘要求。依据地形图编绘相关规范，最终完成双槐树遗址1∶2000 地形图编绘。

三、数据处理结果分析

采用GPS RTK 接收机作为精度检测的仪器设备，双槐树遗址选取32 个特征点作为检查点进行实地测量，根据实地测量检查点位置分布情况，选取6个具有代表性的检查点。基于EPS 地理信息工作站，在三维模型及地形图上， 获取6 个特征点的图上坐标数据。 依据相关规范，将图上获取的检查点坐标数据与实地测量的检查点坐标数据相比较， 得出该检查点x、y 坐标信息平面位置中误差，见表2。

表2 检查点平面位置中误差

通过对检查点中误差进行分析， 依据CH/Z 3003—2010 《低空数字航空摄影测量内业规范》3.4 精度要求可知， 双槐树遗址1∶2000 地形图精度满足制图规范要求。

依据双槐树遗址控制点刺点时所遇到的问题、 空中三角测量质量报告中关于控制点精度及检查点精度得知， 控制点与检查点实地测量时需要注意的事项：首先，设备选用，选择的GPS RTK设备和网络CORS 系统应具有信号强、精度高、数据链稳定等优势；其次，特征点选取，应选择道路标志线拐点、线（面）状地物的交会点等作为检查点或控制点进行实地测量， 勿选择距地表有一定高度的特征点（如房角、机井角等），坐标测量时观测次数应设置为10 次以上或时长应设置10 秒以上，确保所测数据精度满足相关规范要求。

四、成果应用

利用无人机技术、GPS RTK 技术获取遗址本体、 周边环境的影像及测绘数据， 通过Context Capture 软件、EPS 地理信息工作站对数据进行处理，生成遗址实景三维模型、正射影像图、大比例尺地形图等数字化信息资料，为田野考古、考古学研究、文化遗产保护规划与管理等提供了准确、翔实的基础信息资料。

双槐树遗址三维模型可真实再现考古发掘现场信息、 逼真显示遗址本体及周边地理环境， 基于Acute 3D Viewer 软件， 考古领队可多角度、 全方位浏览遗址三维模型。 双槐树遗址国家2000坐标系统下的大比例尺地形图可清晰呈现地物、 地形等地理信息， 图上任意点的三维坐标，任意距离的长度、宽度， 任意区域的面积均可直接查询。

考古领队可通过遗址三维模型和大比例尺国家2000 坐标系统下的遗址地形图进行全面、 直观地查看和综合分析研究， 更加清晰地掌控遗址本体及周边地理环境，更加精准制订遗址考古调查、勘探、发掘及研究的实施方案，提高考古发掘效率、质量。

五、结语

通过对双槐树遗址本体及周边环境的影像、控制点数据进行获取，对实景三维模型创建、正射影像图及大比例尺遗址地形图等成果进行制作可知， 将无人机航测技术、GPS RTK 测绘技术、Context Capture 和EPS 地理信息工作站软件处理系统等新型测绘技术联合应用于遗址地形图编绘是切实可行的。与传统航空摄影测量技术、遗址大比例尺地形图测绘相比， 新型测绘技术具有效率高、精度高、易操作、易掌握等优势，不仅提高了工作效率、 数据精度及成果质量等， 同时降低了人力、物力、财力等方面的成本，为遗址数字化大比例尺地形图编绘提供了新的技术支持。