无人机倾斜摄影在文化遗产土遗址保护中的技术应用研究

摘 要：无人机倾斜摄影技术已在世界文化遗产土遗址保护与监测中被广泛应用，为遗址的监测、评估和修复提供了更为直观、精确的数据支持。文章以实际工作案例说明该技术在土遗址长城赋存环境监测与病害测量中所发挥的作用。

关键词：无人机；倾斜摄影；DOM；三维建模；测量

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.20.009

长城是中华民族的代表性符号和中华文明的重要象征。中国长城作为世界上体量最大的文化遗产，分布于我国15个省、自治区、直辖市，仅墙体就达21196.18 km，包括43721处遗产，附有众多的城堡、城池、烽燧等大量遗迹①。使用传统的人工调查、测量与监测很显然已经不能满足当前世界文化遗产土遗址的保护研究工作。随着科技进步，无人机倾斜摄影技术作为一种新兴的地理信息获取与处理手段，已经在灾害监测②、应急测绘③、抢险救灾、森林资源监测④等领域有广泛使用，发挥出了重要的作用。近年来，该技术在我国土遗址长城保护领域也得到了广泛的关注与应用。该技术在土遗址保护中的应用为遗址的监测、评估和修复提供了更为直观、精确的数据支持，为土遗址长城保护工作的开展提供了新的技术手段。本文以实际工作案例说明无人机倾斜摄影在土遗址嘉峪关二墩长城赋存环境监测与二墩敌台病害测量中的技术应用。

1 无人机倾斜摄影技术在土遗址保护中的监测与应用

无人机倾斜摄影测量技术是一种通过使用倾斜角度相机拍摄图像的方法来进行测量和建模的技术。与传统的垂直摄影测量技术相比，倾斜摄影测量技术通过增大相机与目标物体的倾斜角度，获取更多立体信息。倾斜摄影测量技术通常采用特殊设计的航空相机或无人机搭载多个倾斜角度相机，同时采集多个角度的图像。这些图像在后续处理过程中通过图像匹配、三维点云生成和建模软件来生成高精度的三维模型。

无人机倾斜摄影技术的广泛应用，有效提高保护巡查效率与病害监测。无人机航摄优点是机动性强、周期短、效率高，能轻松到达高危区域，快速获取恒定地面分辨率、更小畸变的基础数据，提高建模的真实性和准确性⑤。

通过外业数据采集、内业应用相关软件处理，获得DOM（Document Object Model缩写，文档对象模型）正射影像图和三维模型，放大图像对比监测赋存环境变化情况，在三维模型中精准测量病害数据，很大程度上提高了工作效率和测量数据的准确性。在实际工作中根据不同项目需求，可预先设计相应的工作流程。

1.1 无人机航摄参数设置

无人机倾斜摄影技术被广泛应用之后，出现很多有关航摄规划软件，根据项目需要设定相应参数，实现无人机自动飞行采集相关区域影像。主要参数有航高、重叠度、航向、云台俯仰角度、间隔时间或距离拍摄、飞行速度、起飞速度等。这里重点说明两个重要参数，即航高和重叠度。

1.1.1 航高设置

航高是指摄影瞬间摄影飞机相对于某一所取基准面的高度，按选取的基准面不同可以分为绝对航高（相对于平均海平面的高度）和相对航高。航测前设计的航高为相对航高，它是相对于被摄区域内地面平均高程基准面设计航高的⑥。在实际工作中可根据需求设置航高，达到最佳影像分辨率。

1.1.2 重叠度设置

重叠度就是相邻两张照片的重叠部分占整个照片的百分比。航向内同一航线相邻两张照片的重叠部分称为“航向重叠”，相邻航向的两条航线相邻照片的重叠部分称为“旁向重叠”。无人机在实际航摄作业时，设计航向重叠度一般不低于65%，旁向重叠度一般不低于55%，倾斜航向重叠度和旁向重叠度分别不低于60%和50%，这样可以避免由于外界环境因素影响导致航拍时出现漏拍的现象。

1.2 无人机外业影像数据采集

本案例使用的无人机型为大疆Inspire2，云台相机为Zenmuse X5S，它采用4/3英寸CMOS影像传感器，有效像素为2080万。Zenmuse X5S配备高精度三轴增稳云台，控制精度为±0.01°，最大承受风速10 m/s，抗风能力不小于4级⑦，在飞行过程中可以拍出稳定的画面。

根据保护研究对象、拍摄区域的大小和航摄对象环境细节复杂程度决定要不要进行像控点的布设。范围小，环境单一，不需要布设像控点；范围大，环境复杂，为确保模型的精细程度和模型不变形，就需要使用相应设备布设像控点。像控点布设可基于《低空数字航空摄影测量外业规范：CH/Z 3004—2010》⑧操作执行。嘉峪关地处河西走廊中部，长城赋存环境相对单一，赋存环境监测需要的是TIFF格式的高清DOM正射影像图，只需设置好无人机的航高、相机俯仰角度和重叠度即可满足需求。对于独立烽火台、敌台等病害测量则需要高精度模型，无人机航摄参数设置就需要注意降低航高，提高照片分辨率，增加航线，提高重叠度，增加照片数量，调整相适应的相机俯仰角度，获得最佳目标细节影像。在进行外业数据采集时需要注意以下几点：

①相机质量。决定影像精度的因素是多方面的，相机的焦距、像素、感应器尺寸等都是影响获取最佳影像的重要参数，同时影像质量的高低决定模型的精度和分辨率。

②影像曝光。影像曝光过度或不足以及影像的重影、散焦与噪点等都严重影响三维模型的质量。拍摄前调试好快门、光圈、ISO值等参数。

③运动模糊。出现这个问题有两方面因素：一是无人机速度过快，二是外界风速过大。作业时为了缩短飞行时间、提高工作效率，就会提高无人机飞行速度，速度过快，曝光点拍摄时无人机飞行姿态不平稳，就会产生照片模糊、影像定位获取不准确等问题，从而对空三处理中的连接匹配和三维重建中的匹配产生较大影响，最终导致模型精度降低、变形或建模失败。

④POS系统的准确性。POS也就是无人机曝光位置的经纬度。POS精度影响空三运算的结果，进而影响重建模型的细节和几何形态，在相机、飞行高度等因素不变的基础上，高质量的POS能够辅助还原完整的几何细节，并提高空三效率。

⑤天气因素。晴天，影像观感好，但是会发生过曝和阴影较大，影响空三匹配精度；阴天，观感一般，但影像颜色均匀，无阴影，匹配质量高；大风天气，无人机稳定性降低，相机轻微摆动，拍摄瞬间地面物体在摄像机上的投影可能产生位移，像点移动，造成影像模糊⑨。

⑥影像数据质量检查，对影像模糊、错位、扭曲、变形等问题进行预处理⑩，这是影响后期成果精度因素之一。影像质量存在问题，最好对相关区域进行补飞，选择同一机型、同一时段、相同天气，这是因为时段不同、天气不同，有可能补采到的影像阴影方向不同、长度不同、亮度不同，导致最终成果出现色差、相邻影像阴影相反、亮度不均匀等现象。

1.2.1 二墩长城赋存环境监测数据

航线规划：航线总长度9584 m，航高110 m，重叠度航向80%，旁向70%，镜头俯仰角度-90°，分辨率4.8 cm，光圈值f/5，曝光时间1/320，ISO速度100，焦距15 mm，时间23＇48＂，照片数量336张。

1.2.2 二墩敌台三维建模数据

航线规划：航线总长度7745 m，航高50 m，重叠度航向85%，旁向75%，倾斜重叠度航向80%，旁向70%，镜头俯仰角度-55°，光圈值f/5，曝光时间1/240，ISO速度100，焦距15 mm，时间30＇22＂，照片数量694张。

1.3 内业影像数据处理

对前期外业采集到的数据进行预处理，符合要求后，根据目标需要应用相关专业软件进行处理，生成所需赋存环境DOM正射影像图和三维模型。

1.3.1 二墩长城赋存环境影像数据处理

应用Pix4Dmapper软件，首先对所采集的影像进行预览检查，对有扭曲、变形、拉花等现象的图像进行预处理，待所有影像符合要求后打开软件创建工程，导入航摄影像，选择自动识别图像地理位置信息，在处理选项模板位置选择3D Maps，此时软件开始自动处理数据，快速生成一个DOM和DSM预览图，预览的目的是目视检查初始化处理的质量。如果正摄影像图是扭曲变形的，那么可能是项目的定位存在问题或者需要控制点来控制精度和方向。如果DSM存在大的裂缝或分块，有可能是重建时分成了多个区块或是影像重叠度较低造成的。通过前期预览图分析，图像如果有上述现象，可对该影像相对应的区域进行复飞重新采集影像。

影像初始位置俯视图，主要是查看影像地理位置。如果俯视图与飞行计划不对应，有可能在匹配、方向、比例或地理位置等几个方面存在问题。检查影像坐标系和影像坐标是否正确。

影像重叠度如图1所示，这是校准后正摄影像图上每个像素重叠影像的数量。红色区域表示重叠率过低，重叠率过低会导致3D重建成果质量较低。重叠率是决定整体质量的重要参数。对于高质量的3D建模和应用，重叠图应为绿色，即每个像素至少在5个影像中可见。

1.3.2 二墩敌台三维建模数据处理

应用ContextCapture软件。创建工程，导入外业采集影像，提交空中三角测量计算，设置参数，生产项目定义为三维网格，注意在重建项目中空间框架栏目切块模式选择规则平面格网切块，调整瓦片大小，适于电脑配置，提高运算速度。设置好各项参数之后，提交项目，软件自动处理。生成的三维模型应用ContextCapture Viewer查看工具打开，选择测量工具就可以做到精准量测病害区的高度（Height，缩写H）、宽度（Width，缩写W）、面积、体积和病害区域的周长。敌台西侧病害测量如图2、图3所示。病害测量结果如表1所示。

1.4 成果分析

Pix4Dmapper生成TIFF高清DOM图对长城赋存环境的监测范围广，图像更清晰，效率更高，结果更准确，监测图放大200%环境中地物地貌细节变化依然清晰可辨，达到对其赋存环境变化监测的目的。

建成高精度的三维模型，对敌台病害高、宽、面积等数据的测量更为准确，避免了人工测量误差大带来的不利因素。长期跟踪监测，建立数据库，对病害发育速度和危害程度有一个详细了解和掌握，为后期维修保养提供详实数据支持。

2 无人机倾斜摄影技术在土遗址保护与监测中的作用

无人机倾斜摄影、高清卫星影像等高科技技术在土遗址保护中发挥出明显的效果。首先，无人机不受时间、地域、气候等影响，可随时起飞对监测范围进行全方位照片和视频拍摄，利用飞控软件规划同一航线、同一高度、同一重叠度进行航摄，建立该区域航摄影像数据库，对该区域多次监测影像进行对比，就能够及时发现监控地带的变化情况。其次，通过倾斜摄影技术生成的三维模型可以无限接近真实的长城、敌台、烽火台等及其周围环境的空间三维模型，保存其原有的空间面貌特征，实现科学、高精度和永久的数字化保存，为修复与保护提供准确的第一手资料，即使发生地震、战争等破坏活动也能为完成修复、重建等提供重要依据k。

3 结语

无人机倾斜摄影技术在土遗址长城保护与监测中的应用具有重大意义。它为土遗址的监测、评估、修复和展示提供了精确、直观的数据支持，为我国土遗址长城保护工作的开展提供了新的技术手段。随着倾斜摄影技术的不断发展，其在土遗址保护领域的应用将更加广泛，为我国土遗址的保护事业注入新的活力。

注释

①k吴国强，杨俊健，徐鹏，等.现代高新技术用于古老长城遗址保护研究中的思考[C]//中国长城学会.遥感技术在长城保护中的应用国际研讨会.[出版者不详]，2014.

②周占成，朱陈明.无人机航摄系统获取DOM的技术研究[J].测绘标准化，2011，27（3）：16-18.

③雷添杰，李长春，何孝莹.无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用[J].自然灾害学报，2011，20（1）：178-183.

④任艳中，王弟，李铁涛，等.无人机遥感在森林资源监测中的应用研究进展[J].中国农学通报，2020，36（8）：117-124.

⑤罗卫，李林辉，张林杰，等.无人机仿地倾斜摄影建模精度浅析[J].北京测绘，2023，37（9）：1214-1217.

⑥韩文军，雷远华，周学文.无人机航测技术及其在电网工程建设中的应用探讨[J].电力勘测设计，2010（3）：62-67.

⑦钱尊岩.低空无人机遥感在油田测量中的关键技术应用研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2012.

⑧国家测绘局.低空数字航空摄影测量外业规范：CH/Z 3004—2010[S].北京：测绘出版社，2010.

⑨田晓程.关于摄影测量精度影响因素探讨[J].城市建设理论研究（电子版），2013（18）：1-4.

⑩敖其勇，潘国兵，龚洲，等.无人机斜面贴近摄影测量的三维航线规划研究[J].时空信息学报，2023，30（4）：500-507.