茍彥梅 吳凱諾

（1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

【關(guān)鍵字】?jī)A斜攝影測(cè)量；航線設(shè)計(jì)方案；實(shí)景三維模型

0 引言

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建文物的實(shí)景三維模型已經(jīng)用于具體的文物修復(fù)、 考古等方面實(shí)踐項(xiàng)目中，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)和無(wú)人機(jī)搭載傳感器可以便捷、高效、快速地提供古遺址高分辨率影像數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)制作立面正射影像、 實(shí)景三維模型等數(shù)字化產(chǎn)品，以此來(lái)保存文物古遺址的各項(xiàng)形式數(shù)據(jù)和空間位置關(guān)系等重要資源，數(shù)字化存檔可以實(shí)現(xiàn)瀕危文物資源的科學(xué)、高精度和永久的保存。 大佛保護(hù)工程實(shí)施整個(gè)過(guò)程以及修復(fù)工作完成都需要利用測(cè)繪高科技技術(shù)，構(gòu)建大佛實(shí)景三維模型將大佛的容貌永久保存。構(gòu)建樂(lè)山大佛的三維模型可以直接展示樂(lè)山大佛遺產(chǎn)面貌與現(xiàn)狀，也可以提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和多傳感器集成技術(shù)快速發(fā)展為基礎(chǔ)，傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它克服了傳統(tǒng)豎直航空攝影系統(tǒng)受空間攝影姿態(tài)的限制，能獲取地形、地物的頂部與側(cè)面紋理信息，影像信息量大， 利用多視角傾斜數(shù)碼相機(jī)或者單鏡頭旋轉(zhuǎn)相機(jī)， 在不同角度上對(duì)目標(biāo)物獲取不同角度的影像，具有豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，生成密集三維點(diǎn)云和TIN 格網(wǎng)模型，在實(shí)際應(yīng)用中能快速自動(dòng)化實(shí)景建模模型[1]。傾斜攝影測(cè)量作為航空遙感領(lǐng)域的一種新數(shù)據(jù)源，使得數(shù)字化三維建模成本降低。

2 古文物數(shù)字化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

世界各國(guó)的文化遺址體現(xiàn)了各國(guó)歷史、文化與信仰，文化遺址是不可再生資源，古文化遺址的研究與考古學(xué)、美術(shù)史以及宗教研究相互聯(lián)系、相互滲透，對(duì)弘揚(yáng)與發(fā)展文化遺傳有重大意義[2]。早在1984 年9 月宋德聞等人對(duì)陜西彬縣大佛寺石窟地進(jìn)行了近景攝影測(cè)量工作[3]。 近景攝影測(cè)量技術(shù)主要采集體積小的文物影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，大場(chǎng)景下的局部影像信息輔助研究文物各方面檢測(cè)[4]。 三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)成像方式獲取單體文物或小場(chǎng)景遺址的精非接觸幾何數(shù)據(jù)完成單體文物高精度三維重建[5]。 國(guó)外最早知名項(xiàng)目是2003 年美國(guó)的米開朗基羅數(shù)字化項(xiàng)目，掃描大衛(wèi)雕像模型結(jié)合高分辨率照片進(jìn)行三維建模[6]。 對(duì)于紋理特征豐富的不可移動(dòng)石窟文物和大場(chǎng)景古遺址的三維模型的構(gòu)建，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能快速、高效、低成本建立實(shí)景三維模型，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值非常大。因此，基于傾斜攝影測(cè)量的石窟文物的三維建模應(yīng)用研究有非常大意義。

3 樂(lè)山大佛保護(hù)修復(fù)工程

3.1 樂(lè)山大佛概況

四川樂(lè)山大佛是世界上最大的一尊壯觀、雄偉的摩崖雕鑿的佛，至今有1300 年歷史，大佛為彌勒佛坐像，特有71 m 通高的“山是一尊佛，佛是一座山”的景觀。 樂(lè)山大佛作為世界自然與文化雙遺產(chǎn)，是古代勞動(dòng)人民智慧的縮影，具有歷史價(jià)值，體現(xiàn)古代人民宗教文化信仰以及高深的藝術(shù)價(jià)值[7]。 樂(lè)山大佛屬于摩崖石刻，作為露天保存大型不可移動(dòng)文物，紅色砂巖多孔結(jié)構(gòu)礦物集合體抗風(fēng)化能力弱，大佛歷經(jīng)千年滄桑，正遭受著風(fēng)化、石化、酸化的威脅，樂(lè)山大佛本體開裂垮塌破壞等，需要得到長(zhǎng)期全面的有效保護(hù)。

3.2 大佛影像數(shù)據(jù)的采集

航測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程可以為考察拍攝測(cè)區(qū)地形地物形態(tài)而確定無(wú)人機(jī)拍攝模式、 計(jì)算設(shè)定航攝參數(shù)、操作無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)。 石窟所在的地形、大佛自身的形態(tài)，樂(lè)山大佛屬于半立體石窟，大佛周邊設(shè)置了觀景臺(tái)，景區(qū)樹木比較茂盛，航拍時(shí)要拍攝大佛所有可視面的影像與大佛左側(cè)與右側(cè)的山體。選擇人工遙控操作無(wú)人機(jī)，按照大佛及左右山體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為S 型橫向與N 型縱向相結(jié)合的多層航線設(shè)計(jì)方案。航拍時(shí)從外層到內(nèi)層飛行， 在外層底部多加一條橫向航線，以N 豎向?yàn)橹鞯暮骄€。 相機(jī)鏡頭角度由駕駛員控制，如圖1 攝影機(jī)鏡頭垂直于大佛整體區(qū)域，攝影機(jī)鏡頭向下傾斜，攝影機(jī)鏡頭接近豎直向下，攝影機(jī)鏡頭面向大佛右側(cè)山體，駕駛員需要隨時(shí)調(diào)整拍攝間隔以及鏡頭的角度進(jìn)行拍攝。 phantom4pro 無(wú)人機(jī)搭載具有 2 000 萬(wàn)像素的高清非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，第一次航拍共拍攝了樂(lè)山大佛及周邊山體256 張影像。

圖1 樂(lè)山大佛的航線及攝影角度

3.3 實(shí)景三維模型的構(gòu)建

圖2 修復(fù)工程中樂(lè)山大佛三維模型

手動(dòng)控制無(wú)人機(jī)飛行獲取的影像數(shù)據(jù)包含各個(gè)角度的傾斜影像和豎直影像，影像自帶POS 數(shù)據(jù)，樂(lè)山大佛本體上的特征點(diǎn)作為像控制點(diǎn)，用全站儀測(cè)量像控點(diǎn)的坐標(biāo)。 使用ContextCapture 三維建模軟件進(jìn)行建模，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)影像關(guān)聯(lián)與控制點(diǎn)的刺設(shè)、提交空中三角測(cè)量任務(wù)，空中三角測(cè)量任務(wù)完成生成空三質(zhì)量報(bào)告，樂(lè)山大佛空三報(bào)告中的信息，地面覆蓋范圍為28 820.05m2，平均地面分辨率為12.414 56 mm/pixel。 選擇空間框架選項(xiàng)卡進(jìn)行切塊設(shè)計(jì)，設(shè)置規(guī)則立體切塊，設(shè)置瓦片大小，設(shè)置需要建模的興趣區(qū)域，產(chǎn)品類型包括三維網(wǎng)格 （3Dmesh）、三維點(diǎn)云（3D Point Cloud）、正射影像（Orthophoto）等，如圖2 修復(fù)工程中樂(lè)山大佛三維模型。

3.4 實(shí)景三維模型的意義

樂(lè)山大佛屬于世界文化遺產(chǎn)，大佛保護(hù)工程實(shí)施整個(gè)過(guò)程以及修復(fù)工作完成都需要利用測(cè)繪高科技技術(shù)， 構(gòu)建大佛實(shí)景三維模型將大佛的容貌永久保存。樂(lè)山大佛遺產(chǎn)核心區(qū)航空影像數(shù)據(jù)獲取與樂(lè)山大佛的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建為世界文化遺產(chǎn)的保護(hù)提供了很好的范例，有非常重大的意義。 樂(lè)山大佛的修復(fù)前實(shí)景三維模型可以給文物修復(fù)專家提供文物參考數(shù)據(jù)，間接幫助專家分析大佛修復(fù)前的現(xiàn)狀。 樂(lè)山大佛整體受到風(fēng)化作用等自然因素侵蝕，大佛局部巖石表層剝離處，頸部與右手下部都有巖石破損處，破損嚴(yán)重的右腳已用塊石、人工雜土等附加層充填覆蓋。樂(lè)山氣候濕潤(rùn)，大佛身上長(zhǎng)著比較茂密的草本植物，從模型上能看到草本植物清晰的紋理信息，草本植物根部會(huì)釋放出來(lái)酸，酸對(duì)砂巖會(huì)產(chǎn)生分解作用，修復(fù)工作要清理大佛身上的草本植物；有草本植物便有寄生草本植物的各種小動(dòng)物，因此大佛亦受各種病蟲的危害等。

4 結(jié)論

應(yīng)用無(wú)人機(jī)近景傾斜攝影測(cè)量的方案，探索傾斜攝影測(cè)量技術(shù)如何更好地服務(wù)于文物保護(hù)工程中。構(gòu)建樂(lè)山大佛的三維模型以及遺產(chǎn)周邊正射影像，實(shí)景三維模型最直接展示樂(lè)山大佛遺產(chǎn)面貌與現(xiàn)狀，為分析巖體的變性保護(hù)工程主體實(shí)施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樂(lè)山大佛保護(hù)工程及樂(lè)山大佛周邊景區(qū)旅游安全，需要獲得大佛及周邊環(huán)境景觀的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，對(duì)樂(lè)山大佛保護(hù)工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，為保護(hù)工程提供最直接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。