无人机摄影测量技术在文物保护中的应用

李平山

（福建省中核工勘察设计有限公司，福建 泉州 352000）

0 引言

为切实履行好文物安全属地管理主体责任，南安市博物馆于2018年12月委托我单位开展58处（2020年9月增加8处）市级文物保护单位保护范围划定落图工作，属福建省内较早开展县级文物保护单位保护范围划定、规划的单位之一。该工作所需文物保护单位及周边1:500地形测图，刚开始主要采用GPS-RTK碎部测量法结合全站仪极坐标法进行，人员投入大，易受外业天气因素影响，测绘成本居高不下。该项工作引进无人机摄影测量技术之后，与传统地面数字化测图技术相比，极大地降低了作业成本、提高了工作效率，取得了良好的经济效益，应用优势显著。

时代需求推动科技进步。在新时代背景下，文物保护工作不再局限于文物本体，而应与多规合一相结合，在此要求下谋求文物保护先行。以往的无人机技术在文物建筑保护中的应用研究多局限于影像，为人类视角无法到达的延伸手段。在获取文物建筑影像后，我们利用摄影测量技术分析无人机影像，结合三维重建技术，实现文物建筑全面数字化的分析与建档[2]。发展和应用无人机摄影测量技术是提高测绘现势性的迫切需求[3]，也是加快推进各地文物单位保护范围划定落图和“多规合一”下文物保护先行的迫切需求。

1 无人机摄影测量技术概述

无人机摄影测量技术是一种可以实现快速获取空间高分辨率遥感影像数据的先进测量技术手段，是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机信息技术的新型应用技术。小型工业级无人机在先后实现了定点悬停、GPS增稳飞行、航线规划、智能飞行、环境感知、自动避障和自主返航后，便成为卫星遥感、载人机航空遥感的有力补充[1]。特别是在近几年随着劳动力成本的提高，无人机摄影测量技术便迅速成为测绘地理信息企业必须掌握的新技术。其中，大疆精灵 Phantom 4 RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，它面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统，地面采样间距（GSD）可达2.74厘米，可满足1:500测图比例要求。

2 无人机摄影测量技术在文物保护中的应用实践

李贽纪念祠为南安市政府2020年1月公布的第五批市级文物保护单位之一，为近现代重要史迹及代表性建筑。本文以此为代表案例，介绍无人机摄影测量技术在文物保护范围划定落图中的应用。

2.1 资料收集与准备

收集测区附近CGCS2000坐标系和1985国家高程基准控制点资料或七参数作为像控点三维坐标的起算依据。了解测区附近是否有军事用地等禁飞区，并确认测区范围内已有省网CORS信号覆盖[4]。

2.2 像控点的布设与采集

像控点布设的优劣直接决定空三加密精度的高低，像控点布设三大要素包括像控点的几何分布、点位选取、标志制作，三要素同等重要。像控点应力图均匀分布并覆盖测区四至，选取平整、四周无遮挡且与标志点颜色不同的明显地物上，标志点应按规范要求制作，水泥路面上推荐选用黑色喷漆喷绘、柏油路面推荐选用白色喷漆。

2.3 航线规划与影像采集

航线规划前应重点观察预估测区范围内的高层建筑物、通信高压塔线高度，以制定最优的飞行高度，确保飞行安全。在大疆精灵 Phantom 4 RTK遥控器自带的DJI GO4上进行三维模式航线规划，飞行参数设计如下：航向重叠率70%，旁向重叠率80%，实际飞行高度120m，地面分辨率4.11cm/px；操控方式：自动驾驶、返航。

飞行前应确保已摘下镜头保护罩，否则无人机到达航线起点后将悬停。起飞点应选择平坦空旷且四周无强磁场、电线等碍航物。李贽纪念祠及周边约250m×250m的矩形区域采集影像照片共计430张，飞行2个架次。两个架次均处于平稳飞行状态，获取的影像清晰度较高，且照片色彩均匀，饱和度良好，能够清晰表达真实的地物信息。

2.4 数据传输与数据处理

将飞行器SD卡内的照片拷贝至已命名的PC文件夹内。采用大疆智图（DJITerra）进行三维模型重建。主要步骤：新建任务名称、导入外业采集的照片、选择输出坐标系（CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 117E）、导入像控点文件（像控点格式：点号，E，N，H）并设置像控点坐标系、刺点（每个像控点刺点数不少于4个）、进行空三解算和模型重建。其中，对已有区域网模型进行约束平差解算是关键，重点查看空三成果报告中相片POS的RTK解算状态统计和地面像控点、检查点均方根误差，根据实际情况选择是否重新刺点及空三优化。

2.5 精度检查与图纸编绘

内业图纸编绘采用清华三维EPS2016进行三维测图osgb数据转换，重建三维模型后进行地物线划勾勒及高程提取。精度检查主要包括像控点和检查点精度，如果误差过大则需重新刺点和空三解算；本项目还选取李贽纪念祠房屋四至角点（对应表1中的序号1、2、3、4）和埕外沿2个角点（对应表1中的序号5、6）进行精度检核。具体方法：使用南方NTS-332R6全站仪，采用光电测距附合导线和三角高程测量法对GPS-RTK快速静态采集的像控点进行联测、平差，再以像控点作为起算点，全站仪极坐标法测量上述点位坐标，检核结果见表1。

表1 角点坐标检核统计表

2.6 文物保护单位保护范围划定落图

打开清华三维EPS2016并加载三维模型文件，李贽纪念祠为二落三开间房屋，拾取、勾勒文物外墙和水泥浇筑埕地外沿即为本文物单位本体线(图1红线)；保护范围：东至建筑后檐墙外延伸5米，南至建筑南侧墙外延伸5米，西至李氏家庙埕外沿水泥路边，北至建筑北侧墙外延5米(图1绿线)；建设控制地带：自保护范围边界向四周外延10米(图1蓝线)。保护范围线和建设控制地带的确定严格按有关导则进行。实景三维模型和三线叠加见图1。

图1 实景三维模型和三线叠加效果图

2.7 数据汇交

为构建各类文物保护对象资源数据模块，建立全省数据库，掌握保护对象总量、种类、分布及保护状况，在ArcGIS软件中按不可移动文物数据库建设汇交要求，将各文物三线（即本体线、保护范围线、建设控制地带）及文物名称、文物保护级别等主要属性进行编辑形成SHP格式文件。步入网络时代之后，构建大数据信息系统已然成为一种必然趋势[5]，数据格式的通用性尤为重要。该项工作为多规合一、文物保护优先提供了基础数据。

3 应用优势

与传统的地形测图方法相比，无人机摄影测量技术的主要优势表现为效率高、成本低、应用灵活。随着无人机智能防雨防水技术的成熟应用，将进一步打破了空域与天气的制约，保障了无人机的有效作业时间。无人机摄影测量解放了外业人员的体力劳动，大幅减少了外业作业人员和作业时间，不但降低了劳动力成本，缩短了测量周期，还降低了测绘总成本。

本案涉及的文物保护点数量多、分布广，文物类别涉及古遗址、古墓葬、古建筑、石窟寺及石刻及近现代重要史迹及代表性建筑等。在早期的文物信息采集中只能用手持GPS采集文物本体概位坐标，用文字配合距离数据概略描述保护范围，容易产生争议，如曾氏家族墓就曾在缺乏闽南曾氏始祖曾延世等墓葬群具体分布的考古依据下，直接把一整面的山麓（风水宝地）都描述成保护范围。在南安市级文物保护单位保护范围划定落图工作中，经与业主和评审专家进行有效沟通，优化了工作流程，即在无人机摄影测量生成垂直摄影模型、倾斜模型后直接据此确定文物本体线、划定保护范围线及建设控制地带，再根据专题图框大小确定线划图绘制区域，极大地方便了地形测图范围的合理选取，有效减少修改调整的次数，甚至可以做到一次性定线。据悉，各地一般不可移动文物点总量还很大，快速准确获取的文物三线及文物属性数据及时汇交后，为落实多规合一要求、文物保护优先原则争取宝贵的时间，最终将极大地推动各地文物保护精细化管理及在线监管系统建设进程。同时，获取的文物本体高清影像资料也可作为文物本体现状资料存档，还可以通过三维模型量取文物相关尺寸和立面图绘制，可作为文物保护、文物修复的依据。

4 结语

本文以南安市市级文物保护单位之一的李贽纪念祠房屋四至角点与水泥浇筑埕地前沿2个角点进行了精度检核，检核结果满足《工程测量规范》(GB50026-2007)中表5.1.5-3列示的限差要求（点位中误差＜5cm，高程中误差＜3cm），即无人机摄影测量技术在文物保护单位保护范围划定落图中的应用能满足精度要求，同时具有效率高、成本低、应用灵活、成果多样化的综合优势。无人机摄影测量技术方案能有效加快推进各地一般不可移动文物保护范围划定落图工作进程。