王炳新

(遼寧省有色地質(zhì)一○一隊有限責(zé)任公司, 遼寧 撫順 113006)

0 引言

佛像石窟是我國重要的文物類型,具有極其重要的歷史、文化、藝術(shù)和社會價值。石窟是一種不可移動文物,且一般處于野外地區(qū),容易受人為破壞和自然環(huán)境日積月累地侵蝕[1],佛像保護在技術(shù)層面難度較大。佛像本體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,傳統(tǒng)的測量手段無法很好地測量佛體三維結(jié)構(gòu)及整體數(shù)據(jù),常規(guī)佛體立面圖測繪采用近景照片結(jié)合手工繪圖的方法,傳統(tǒng)方法耗時耗力,且手工繪圖手段不能滿足現(xiàn)代信息化時代的要求。為了更好地保護石窟佛像等類似文物,研究非接觸性的近景測量手段十分有必要,在不接觸佛體或文物的情況下,能采集到文物的三維數(shù)據(jù),有效保護文物本體。

本文以遼寧省石窟寺調(diào)查文物保護項目為導(dǎo)向,研究采用多種近景測量技術(shù)手段對石窟進行二維表面與三維立體數(shù)據(jù)采集,近景測量手段包括無人機近景攝影測量、三維激光掃描等。外業(yè)測量作業(yè)可根據(jù)佛窟寺的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)區(qū)域大小、佛窟立面物體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等因素可選擇不同的儀器和測量技術(shù)進行立面測繪[2]。

國內(nèi)外已有許多學(xué)者對近景測量手段展開過深入研究。劉洋等[3]采用無人機近景攝影測量技術(shù)采集古建筑物的三維立體數(shù)據(jù),在航拍關(guān)鍵技術(shù)方面,論述了多角度航拍,達到影像多點重疊,從而有利于精細古建筑物的三維模型。李婉[4]將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物立面體測量,提取古建筑物二維表面坐標成果,成果幾何精度達到厘米級別。蔡占玲[5]在大同古城精細三維建模技術(shù)研究中采用了空地結(jié)合的技術(shù)手段,有效解決了三維模型在高空與地面數(shù)據(jù)相互融合困難問題,以及解決了受高度盲區(qū)的影響造成模型拉花、模糊、漏洞等現(xiàn)象。

1 多種近景測量手段簡述

隨著無人機設(shè)備的飛速發(fā)展,無人機近景攝影技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于立面圖測繪采集方面,它具備作業(yè)效率高、全方位、低成本等優(yōu)勢,無人機可從多角度獲取目標影像,利用專業(yè)軟件進行空三加密處理和三維模型重建[6]。

數(shù)碼相機近景攝影測量技術(shù)是對物體進行多角度拍攝,通過計算機自動完成空中三角測量,并解析原始影像的內(nèi)方位元素,再建立物體精密三維模型[7],通過拍攝影像獲得物體的紋理信息和細節(jié)構(gòu)造等,基于三維模型獲得目標物的立面信息。

三維激光掃描是全自動高精度的測繪手段,能夠大面積、高分辨率地獲取三維幾何信息和紋理信息[8]。其作業(yè)流程是利用踏勘、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果輸出[9-10]等手段,獲得三維實景模型,將模型進行數(shù)據(jù)切割，獲取所需要的立面、平面等信息。綜上所述，分析多種近景測量技術(shù)手段在石窟寺調(diào)查應(yīng)用中的優(yōu)缺點,如表1所示。

表1 多種近景測量技術(shù)對比表

基于遼寧省石窟寺調(diào)查項目,對3種方法的應(yīng)用場景分析,在不同的外界環(huán)境采用不同的作業(yè)方法,減少了人力和物力的投入。例如對于體積大的文物采用無人機環(huán)繞飛行方式,拍攝文物的全方位數(shù)據(jù),大大提高了工作效率,而數(shù)碼相機和三維激光掃描儀就無法一測站采集大體積文物的全方位數(shù)據(jù)。又如,在密集室內(nèi)文物區(qū)域中,采用數(shù)碼相機結(jié)合三維激光掃描儀器的方式能很好地測量文物數(shù)據(jù),有效保證文物測量的精度。綜上3種方法有著不同的應(yīng)用優(yōu)勢和劣勢,針對不同環(huán)境結(jié)合不同的采集方式能有效提高文物采集效率和精度。

2 無人機近景攝影測量

根據(jù)全國石窟寺專項調(diào)查工作的實施方案制定測繪技術(shù)方案[11]，立面圖成果制作主要步驟有實地踏勘、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)、數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查等,由于大疆在航拍過程中可以獲取高精度定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)數(shù)據(jù),無須布設(shè)像控點。無人機近景攝影測量流程如圖1所示。

圖1 無人機攝影流程圖

2.1 無人機設(shè)備

本項目采用大疆精靈4RTK無人機,精靈4RTK差分模塊的優(yōu)異的定位精度保證了無人機在航測時數(shù)據(jù)的準確性,其衛(wèi)星定位模塊的參數(shù)見表2。

表2 衛(wèi)星定位模塊參數(shù)表

2.2 外業(yè)飛行作業(yè)

由于石窟寺與摩崖造像基本位于山體斜坡上,受地形與環(huán)境等因素影響,不宜規(guī)劃航線進行環(huán)繞飛行,只能采用手動飛行模型進行攝影測量,手動模式拍攝時,需要注意的保證相鄰拍攝照片有60%的重疊度,尤其是文物邊緣,盡量保證相機角度水平和高重疊度,盡量保持相機到文物的距離差不要過大。

飛行過程中關(guān)注外界環(huán)境風(fēng)力、信號強度、電池電量等因素,如遇緊急情況應(yīng)立即返航。在采集數(shù)據(jù)時,若室外光線不均勻,無法準確對焦,可能造成文物本體拍攝不清晰,盡量避免天氣條件不好的情況下作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)主要包括影像檢查、空中三角及數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工。

首先是對所拍攝的立面照片逐一檢查,將模糊、拉花的影像數(shù)據(jù)刪除,由于外業(yè)采集照片自帶定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)數(shù)據(jù),可將照片直接導(dǎo)入Context Capture軟件中,提交空中三角測量,空三結(jié)束后,在3D視圖窗口進行檢查,主要檢查是否有明顯的分層或交叉現(xiàn)象[12],同時也要檢查是否包含測區(qū)范圍是否完整,是否有漏洞。若有遺漏部分需要現(xiàn)場補拍或重拍相應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)。3D視圖對空三檢查過后,進行軟件參數(shù)設(shè)置,如坐標系統(tǒng)的選擇、模型區(qū)域范圍的定義、瓦片大小的設(shè)置、瓦片分割方式的選擇等。參數(shù)設(shè)置結(jié)束進行產(chǎn)品生產(chǎn)加工,本工程輸出.obj數(shù)據(jù)格式。若輸出數(shù)據(jù)成果出現(xiàn)變形等問題，應(yīng)及時檢查原始數(shù)據(jù)、處理過程等是否出問題。

2.4 立面圖成果輸出

立面成果圖輸出采用3Dreshaper軟件進行模型處理加工,首先將.obj數(shù)據(jù)瓦片加載到軟件中,對處理好的模型進行坐標系定義,調(diào)整視圖,導(dǎo)出立面正射影像,如圖2(a)所示,將正射影像插入到AutoCAD軟件中進行立面圖描繪,立面線劃圖如圖2(b)所示。

(a)正射圖

2.5 成果質(zhì)量檢查與分析

通過外業(yè)采集的特征點(本文特征點均在鉛錘方向文物上選取)間距離與模型量距尺寸和立面線化圖尺寸，分別進行比對分析，如表3所示。

表3 無人機近景攝影外業(yè)檢查表

通過比較實地鋼尺量距尺寸與模型量取尺寸和立面圖尺寸,本次模型量取尺寸和實地檢查特征點較差差值均在3 cm左右,滿足《石窟寺文物三維激光掃描數(shù)字化采集規(guī)程》中對于立面精度的要求。本項目作業(yè)無人機作業(yè)過程中符合《無人機航拍安全作業(yè)基本要求》(CH/Z 3001—2010)[13]和《低空數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》(CH/Z 3005—2010)[14]中的相關(guān)要求。

3 數(shù)碼相機近景攝影測量

數(shù)碼相機近景攝影測量在遼寧省石窟寺調(diào)查中立面圖成果制作的主要流程有以下幾個方面：控制測量、近景拍攝作業(yè)、數(shù)據(jù)處理、成果輸出、立面圖制作等。

3.1 儀器設(shè)備

本項目采用非測量數(shù)碼相機佳能6D MarkII。其參數(shù)如表4所示。

表4 數(shù)碼相機參數(shù)表

3.2 現(xiàn)場作業(yè)

首先作業(yè)前檢校數(shù)碼相機[15],布設(shè)像控點標示,每個文物本體上至少布設(shè)3個像控點。為了獲取高清晰的影像數(shù)據(jù),采用云臺搭載相機,確保相機拍攝時平穩(wěn),每次拍攝時調(diào)整聚焦點,保證每張像片的清晰度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

三維模型數(shù)據(jù)處理同樣選擇Context Capture軟件,與無人機數(shù)據(jù)處理不同的是,由于數(shù)碼相機不能獲取位置信息,所以在空中三角測量結(jié)束后,需要設(shè)置2個以上的連接點作為尺寸約束條件,然后進行產(chǎn)品生產(chǎn)加工,數(shù)據(jù)輸出格式.obj。

3.4 立面圖輸出與精度檢驗

通過Context Capture軟件自動解算,輸出文物的立面正射圖,將正射影像插入到AutoCAD軟件中進行立面圖描繪,立面線劃如圖3(b)所示。

(a)正射圖

數(shù)碼相機精度驗證方式和無人機航攝方式相同,本次模型量取尺寸和立面線化圖尺寸與實地鋼尺量距尺寸較差情況如表5所示。由表5可知,數(shù)碼相機精度約在2 cm左右。在數(shù)碼相機進行近景拍攝過程中符合《近景攝影測量規(guī)范》(GB/T 12979—2008)[16]中相關(guān)要求。

表5 數(shù)碼相機近景攝影外業(yè)檢查表

4 三維激光掃描

三維激光掃描測量在遼寧省石窟寺調(diào)查中立面圖成果制作的主要流程有野外踏勘、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、立面產(chǎn)品加工等,三維激光掃描測量具體流程如圖4所示。

圖4 三維掃描儀的流程圖

4.1 儀器設(shè)備

在石窟寺調(diào)查中,用采用是Faro focus S350三維激光掃描儀,儀器參數(shù)如表6所示。

表6 三維掃描儀參數(shù)表

4.2 現(xiàn)場作業(yè)

Faro focus S350這款三維激光掃描儀操作簡單,在作業(yè)過程中注意以下幾點。

(1)布設(shè)標靶時放在合適位置并固定,保證兩站掃描至少有4個公共標靶。

(2)把掃描儀安置在合適位置,確保標靶都能被掃描儀掃到。

(3)按站進行數(shù)據(jù)掃描,確保標靶掃描完整、清晰。

4.3 數(shù)據(jù)處理

用儀器自帶的scene軟件進行數(shù)據(jù)拼接處理,導(dǎo)出拼接好的三維模型,數(shù)據(jù)格式為.e57。將點云數(shù)據(jù)加載到3Dreshaper軟件中對點云冗余數(shù)據(jù)進行過濾、抽稀[17]。

4.4 立面圖輸出

立面成果圖輸出采用3Dreshaper軟件進行模型處理加工,將.e57數(shù)據(jù)瓦片加載到軟件中,軟件解算點云數(shù)據(jù),將正射影像插入到AutoCAD軟件中進行立面圖描繪,完成立面線劃圖如圖5所示。

(a)正射圖

精度驗證方式與無人機航攝方式相同,通過外業(yè)采集的特征點尺寸與模型量距尺寸和立面線劃圖進行比對分析,由表7可知,本次三維激光掃描精度可達到1 cm級別。本次三維激光掃描儀精度符合地面《三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》(CHZ3017—2015)中相關(guān)要求[18]。

表7 三維掃描外業(yè)檢查表

5 結(jié)束語

本文主要是依托石窟寺調(diào)查項目介紹了無人機、數(shù)碼相機、三維掃描等多種近景測量手段在文物立面圖的主要作業(yè)流程,從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理到分析出成果,已經(jīng)形成一套完整的作業(yè)工作模式。同時也驗證了3種作業(yè)方法的精度均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。遼寧省石窟寺調(diào)查測繪項目經(jīng)過自檢、互檢、專檢的檢查過程,各項指標、精度檢查滿足規(guī)范要求后,提交準確合格的測繪成果。同時本文也驗證了不同的作業(yè)環(huán)境選擇不同的作業(yè)方法對作業(yè)時間有著明顯的差異,大大提高了生產(chǎn)效率。不足之處在于，室外光線不均、拍攝的過程中有樹木陰影等外界干擾因素?zé)o法解決。