贴近摄影测量技术在物质文化遗产三维建模中的应用

罗晓丹,赖明治,卢 燕,吕新强,凌聪聪,黄 宇

(1. 广西壮族自治区自然资源遥感院,广西 南宁 530001; 2. 南宁市自然资源信息集团有限公司, 广西 南宁 530001; 3. 平南县不动产登记中心,广西 平南 537300; 4. 广西壮族自治区自然资源 信息中心,广西 南宁 520028; 5. 平南县佳正测绘有限公司,广西 平南 537300)

我国物质文化遗产数量丰富,拥有巨大的历史价值。通过历史文物可以了解社会发展情况,为探索人类社会历史发展提供重要参考[1]。物质文化文物保护研究的困难性在于,其为不可再生资源,一旦破坏就难以复原。因此,一方面要尽可能长久地保护文物不受到破坏,另一方面要采取措施,对文物进行数字化,使受损文物有得以修复的依据[2]。

文献[3]提出了贴近摄影测量技术,即利用无人机平台搭载超高像素摄影设备,近距离贴近物体表面进行摄影,获取超高清影像数据,以实现对物体的坐标和结构等地理信息的精细化提取。贴近摄影测量技术可以有效地弥补常规倾斜摄影测量技术带来的纹理损失问题,为精细化三维建模提供高清晰度的纹理细节。已有学者将贴近摄影测量技术应用到濒危民族建筑部件保护[4]、高陡危岩体结构面调查[5]等实景三维建模工作中。本文以广西宁明花山岩画为例,采用无人机贴近摄影测量技术开展花山岩画实景三维建模技术研究,以期为文物保护等涉及地理空间信息采集的相关领域提供精细化实景三维建模技术参考。

1 贴近摄影测量关键技术

1.1 精细化航线规划

为保证无人机安全、自动的贴近飞行,需在目标初始场景信息的引导下进行航线规划。精细化三维模型的航线参数设计包括无人机的飞行方式、拍摄时的位置姿态、拍摄距离、影像重叠度、无人机航线模式等。与常规的无人机数据采集航线设计不同,贴近摄影测量航线规划以目标场景信息为基础,根据目标表面的特点(如坡度、凹凸情况),设计对应的贴近航线规划方法,从而让无人机能够高效获取被摄物的精细化影像数据[6]。因此,贴近航线规划是无人机贴近摄影测量的一个重要环节。

1.2 空中三角测量

空中三角测量的目的是恢复影像间的相互位置关系,计算出影像的位置姿态参数,获得目标场景的稀疏点云,为模型的精细化三维重建服务。贴近摄影测量采集的影像数据有两个特点:①有较规则的航带,但其飞行轨迹与目标表面相关,而不是分布在水平面上;②影像拍摄时的位置和姿态参数是根据航迹规划结果确定的,如外方位元素的初值。因此,通过精细化航线采集影像数据,利用已有POS信息提高空中三角测量的数据处理效率,是贴近摄影测量的另一个关键技术[7]。

1.3 三维重建

空中三角测量后贴近摄影测量影像的位置参数便得以还原,同时可以得到被摄物体的点云数据。三维模型建立的过程就是通过TIN密集匹配构建模型三角网,对TIN模型进行密集匹配便可得到三维模型的白模结构,模型的白模结构经纹理映射后即可生成精细化三维模型[8]。

2 数据获取与数据处理

贴近摄影测量在实际应用中的工作流程主要有两个方面:一是用无人机倾斜摄影测量采集目标场景影像,进行初始地形场景信息三维重建;二是根据初始场景信息进行无人机精细化航线设计,使无人机贴近被摄物体进行拍摄,以获得物体表面高分辨率影像数据[9]。

2.1 研究区概况

花山岩画位于广西崇左市宁明县西南约25 km处,是2000多年前古人把赭红色的赤铁矿粉在高44 m、宽170 m,凹凸不平的明江河畔陡峭岩壁上刷绘出的神奇壁画,绘有各种人物、动物、器物1900多个。陡峭岩面凹凸不平,风化较严重,岩画前方树木遮挡多,地理环境复杂。

2.2 初始地形模型影像获取

2.3 精细化模型影像获取

航迹大师 (WayPoint Master)是一款针对大疆无人机摄影测量而设计的专业级航线定制软件。将花山岩画初始地形模型导入航迹大师软件中,利用点云航线设计功能,可根据崖面实际凹凸情况自动计算出每个航点到岩面的准确距离。在航飞中保持相对航高一致,以避免无人机飞行航高变化带来的分辨率差异问题[11]。

采用经纬M300 RTK四旋翼无人机搭载禅思P1 航测相机获取精细化模型影像数据。花山岩画精细化航线设计参数设置地面分辨率为0.002 m,进行贴近岩面5.5 m的等距拍摄,具体参数见表1。通过精细化航线设计,采用自下而上“弓”字形自主飞行,完成77条精细化航线贴近摄影测量,采集到6979张相片。

表1 贴近摄影测量精细化航线参数设计

2.4 无人机影像数据处理

外业无人机精细化摄影测量结束后,为了能够顺利建立无人机影像三维模型,首先,需要对影像数据进行预处理,剔除光照条件差、阴影面积较大的影像;将经过预处理后的影像数据导入Context Capture软件进行三维重建,由软件自动检测和匹配同名像点,利用多像观测原理自动选择最佳像对模型;生成密集点云数据后经转换得到不规则TIN结构网,如图1(a)所示。然后,对TIN结构网进一步优化后生成三维白模,如图1(b)所示。最后,软件基于内在几何关系自动提取位置对应的纹理信息映射至三维白模,最终建立精细化三维模型[12],如图1(c)所示。

图1 花山岩画建模

建立的精细化三维模型若出现空洞或凹陷等常见问题,则需要重新采用人工方式操控无人机对存在问题的区域重新进行贴近摄影测量,并重新进行影像数据处理。

3 三维建模效果分析

3.1 模型质量评价

本次精细化航线参数设计综合考虑了重叠度、垂直距离、飞行速度、影像分辨率等技术指标[13],采集到的贴近影像质量好、数据冗余度高。内业三维模型重建一次通过,质量报告显示的三维模型分辨率达0.003 m,能够充分复原建模对象原始纹理和结构细节。

3.2 模型效果分析

根据《城市三维建模技术规范》[14]要求,对本次重建的精细化三维模型进行效果分析。根据花山岩画所处岩壁空间分布情况和岩画数量,选取局部特征区域对精细化三维模型细节进行建模效果分析。如图2所示,4个特征区域(a、b、c、d)较均匀地分布在整个研究区域,W、E、B、T分别为花山岩画范围的西、东、南、北边缘。

图2 花山岩画局部细节空间分布

图3为对应花山岩画4个特征区域的三维模型精细纹理。由所还原岩画的细节可以看出,古人采用抽象画法将各种人物、动物、器物绘在悬崖相对平整的岩面上,活动场景细节丰富,动作逼真。岩面细节建模细致,细小的裂缝和阴影均能清晰复原出来。

图3 花山岩画三维模型精细纹理

图3(a)的悬崖岩面凹凸不平、棱角尖锐。受限于岩面的不平整,该区域的岩画人物数量较少;尽管岩画人物数量少,但左边区域跳舞人物身材魁梧,腰间佩剑清晰可见。三维模型同时精细复原了局部岩面被风化脱落的细节,该区域中间局部岩面已脱离,局部岩画已遭受破坏。

提取的总RNA经琼脂糖凝胶电泳鉴定，可见较清晰的条带，表明总RNA降解较少，且无DNA污染。计算得ROR-γt、Foxp3和β-actin基因的扩增效率分别为96%、98%和95%，扩增效率接近于100%，扩增效率达到最佳，因此所用比较Ct的2-ΔΔCt法计算的基因相对表达量结果更接近于真实值，ROR-γt(A)、Foxp3(B)和 β-actin(C)基因各组的扩增曲线，见图1。

图3(b)岩面较平整,所处高度也较低,古人选择这类区域进行绘画较容易。该区域岩画包括大量的人物、动物及器物。人物图像多以正身、侧身两个角度,画出头、颈、躯体及四肢;动物图像主要是画侧身且作向前小跑状的狗;器物图像主要有刀、剑、铜鼓、羊角纽钟等。花山岩画可能是一种巫术文化遗迹,岩画活灵活现地记录了一场场庄严而又欢快的祭祀活动。

图3(c)岩面往外凸出,石灰质岩石遭受流水溶蚀往下凹陷导致岩面很不平整。该区域仅有1组岩画,且选择在岩面侧方略为平整的凹陷处进行绘画。由于所处位置特殊,三维建模处理要求技术难度大,如不采用贴近摄影测量技术进行航摄,几乎无法高仿真地复原其形态细节。

图3(d)岩面位于断崖处,岩画所处位置上方有凸出岩石遮蔽。三维模型中可清晰地看到阴影轮廓、岩面凹凸及岩面裂纹等细节信息,充分体现出三维建模精度和模型细节还原度都非常高。另外,此处岩画位于整个岩画范围的最高处(即图2的T字符处),岩面平整,区域较小,但仍然绘制了多组典型的骆越古人祭祀活动仪式。每一组祭祀活动仪式一般以一个高大魁梧、身佩刀剑的正身人为中心,其脚下有一狗,胯下或身旁置一面或数面铜鼓,下面有多个形体短小的侧身人。

由图3不同类型岩壁的岩画细节可以看出,在平整、凹凸不平、棱角尖锐的岩画区域,精细化三维模型所反映的各部分岩画人物还原准确,未出现重叠、拉花、还原不清晰等现象。三维模型表现出的纹理清晰,能够真实反映人物的特征细节,如身边的配饰、武器等清晰可见,色彩饱和。由于本次贴近摄影测量的分辨率达毫米级,因此三维模型能够清晰还原花山岩面的每一处细节,包括剥落的岩面、细小的裂缝、流水痕迹及形成的石钟乳。

3.3 模型可量测性分析

本文贴近摄影测量的POS数据是基于GXCORS提供的差分改正信息进行GNSS数据解算的,因此建立的三维模型测量基准为2000国家大地坐标系。利用该模型对花山岩画各种空间细节进行量测计算,其绝对定位精度可达分米级(受POS定位精度影响),而相对定位精度优于1 cm(受模型分辨率影响)[15]。

利用该模型对花山岩画覆盖范围进行仔细辨析,定位出花山岩画的最西、东、北、南4个位置,如图2中的W、E、B、T位置。通过测定4个位置的大地坐标(见表2),计算出花山岩画东西直线跨度为174.45 m;T点大地高为163.33 m,B点大地高为125.35 m,上下高差约为37.98 m。

表2 基于三维模型的点坐标提取

从花山岩画三维模型中找到的最高人物像超过2.65 m,位于图2中b区域右上方圆圈处,放大如图4所示。该组人物像所处悬崖凹凸不平,常年累月受风雨侵蚀,岩画颜色已明显变淡,存在被破坏的危险。

图4 花山岩画最高人物像

4 结 论

本文以广西崇左市宁明县花山岩画为研究对象,采用精灵4 RTK和经纬M300 RTK无人机平台进行贴近摄影测量影像采集,经影像数据预处理后,在ContextCapture软件平台上开展精细化三维建模,并此基础上,对花山岩画的三维模型精度、效果、可量测性进行分析讨论,结论如下。

(1)无人机贴近摄影测量技术提供了一种能够近距离贴近测量对象进行高分辨率影像数据采集的方法,有效解决了无人机摄影测量技术难以近距离获取被摄对象(尤其是竖立面)的超高清影像的技术难题,实现了快速、精细化的三维模型重建。

(2)通过无人机贴近摄影测量技术建立的花山岩画三维模型的分辨率达毫米级,整个岩画还原清晰完整,人物、动物、器物细节准确、色彩饱和、信息丰富,模型可量测性强,相对定位精度优于1 cm,可为文物保护研究工作提供测量技术支撑。

(3)花山岩画饱受了2000多年的风吹雨淋,岩面遭受流水溶蚀而导致不同程度的剥落,造成岩画不同程度的破坏,且这种自然损毁还在不断地发展。本文研究成果为花山岩画文物保护工作的开展提供了精细化的三维数字化档案成果。

(4)贴近摄影测量具有其他摄影测量无法达到的精度,尤其是在自然文化遗产保护、高陡危岩体监测等特殊工作环境下,具有传统测量无法达到的技术优势,在实际生产中能够显著提高实景三维建模工作效率并有效节约成本,具有良好的经济效益和推广应用前景。