陳年青，孫灝

(南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

文物遺址是獲取考古研究資料的第一場(chǎng)所，遺址的空間布局、位置形態(tài)等通常都遵循了一定的社會(huì)規(guī)范，因此在考古發(fā)掘過程中對(duì)遺址進(jìn)行精確完整的時(shí)空數(shù)據(jù)記錄是考古研究分析的重要先決條件[1，2]。傳統(tǒng)考古測(cè)繪方法通常是基于人工量測(cè)和手繪圖件，輔以一定的文字記錄和影像留存，其分析記錄結(jié)果通常與學(xué)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、能力密切相關(guān)，考古分析推理缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，自動(dòng)化程度低，科學(xué)準(zhǔn)確性不足，且難以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、多時(shí)序的數(shù)字考古需求[3，4]。隨著三維空間測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，基于激光掃描和攝影測(cè)量技術(shù)已可精確高效地進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而構(gòu)建出考古遺址的三維模型，基于此就可對(duì)考古遺址進(jìn)行時(shí)空分析研究，這為考古文化特征的揭示提供了重要基礎(chǔ)[5，6]。對(duì)此一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，萬銘[7]等利用空地一體化影像建模技術(shù)重建出考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)景三維模型，為數(shù)字考古提供了全要素的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。孫保燕[8]等研究航攝影像與地面照片自動(dòng)融合的三維建模方法，為考古研究提供了高精度的三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鄭曉敏[9]等基于地面三維激光掃描技術(shù)對(duì)古墓葬群進(jìn)行三維掃描，為考古遺址的保護(hù)、修繕和重建提供了高精度、完整的空間數(shù)據(jù)信息。沈姜威[10]等研究了多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)的融合及其建模方法，進(jìn)而構(gòu)建出了古遺址的三維場(chǎng)景模型。然而當(dāng)前研究多是集中在三維數(shù)據(jù)的處理和分析，缺少對(duì)于二維影像和三維模型的融合處理研究，未充分利用二維影像豐富的紋理色彩價(jià)值，這對(duì)于考古遺址的定量和定性分析會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

本文以南京市西營(yíng)村南朝佛寺遺址為研究對(duì)象，利用機(jī)載激光點(diǎn)云與無人機(jī)正射影像進(jìn)行配準(zhǔn)融合，構(gòu)建出了考古現(xiàn)場(chǎng)的三維實(shí)景模型，分別介紹了數(shù)據(jù)的采集方案和融合應(yīng)用方法，并對(duì)融合模型進(jìn)行定性和定量的分析，從而為相關(guān)的數(shù)字考古研究提供三維空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)采集方案

機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其利用高頻率發(fā)射的激光脈沖信號(hào)獲取物體表面的三維密集點(diǎn)云，具有采集效率快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、三維建模、考古研究等領(lǐng)域。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)式的遙感技術(shù)，其受環(huán)境條件的影響較小，能夠穿透密林植被等復(fù)雜區(qū)域，大大提高了空間數(shù)據(jù)的獲取效率，同時(shí)也為地表植被等要素覆蓋下的文化遺跡的揭露提供了途徑。激光雷達(dá)是一種高度集成了激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，其在作業(yè)時(shí)沿著預(yù)設(shè)路徑飛行的同時(shí)向目標(biāo)發(fā)射激光束，同時(shí)接收器會(huì)對(duì)從目標(biāo)反射回來的激光進(jìn)行檢測(cè)和分析，以此計(jì)算傳感器與目標(biāo)之間的距離，結(jié)合距離值和位置信息就可解算出對(duì)象的三維空間坐標(biāo)。在作業(yè)過程中，飛行器向前飛行的同時(shí)加上激光掃描儀的線性掃描，就形成了對(duì)地表一定寬度的二維點(diǎn)云覆蓋，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，就可解算出測(cè)區(qū)的三維激光點(diǎn)云。

無人機(jī)正射影像(DOM)是基于飛行器搭載垂直下視相機(jī)經(jīng)過正射投影拍攝的影像數(shù)據(jù)，具有可靠的平面精度，同時(shí)兼具影像的視覺特征。隨著輕小型無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，搭載單鏡頭的輕小型無人機(jī)在正射影像的采集效率和處理精度方面得到了飛躍式的發(fā)展，已成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的有效補(bǔ)充，且高空間分辨率的正射影像為地物識(shí)別和分析提供了科學(xué)的依據(jù)。

激光點(diǎn)云與正射影像各自的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，激光點(diǎn)云具有精確的三維空間坐標(biāo)信息，還擁有多次回波數(shù)據(jù)和反射強(qiáng)度信息，然而點(diǎn)云缺少光譜信息，特征信息不明顯，難以對(duì)地面特征進(jìn)行有效判讀；無人機(jī)正射影像的地面分辨率較高，影像的特征連續(xù)，色彩信息豐富，具有準(zhǔn)確的幾何地圖屬性和豐富的影像紋理特征，然而其缺少高程信息。二者聯(lián)合應(yīng)用存在著很強(qiáng)的互補(bǔ)性，激光點(diǎn)云與正射影像聯(lián)合作業(yè)技術(shù)流程如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程圖

3 融合應(yīng)用方案

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是以空間離散坐標(biāo)的形式存在，每個(gè)點(diǎn)都具備著相應(yīng)的三維空間坐標(biāo)信息，而無人機(jī)正射影像一般是以柵格數(shù)據(jù)的形式存在，包含二維平面坐標(biāo)信息。將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，首先需要通過數(shù)學(xué)模型建立相應(yīng)的空間變換關(guān)系，使二者處于統(tǒng)一坐標(biāo)系下，對(duì)其粗略配準(zhǔn)。

激光點(diǎn)云與正射影像的融合配準(zhǔn)本質(zhì)上是三維坐標(biāo)系與二維坐標(biāo)系的變換，因此可以將三維點(diǎn)云坐標(biāo)系進(jìn)行二維平面投影，通過計(jì)算激光點(diǎn)云中每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)在影像坐標(biāo)系中的位置，以此來計(jì)算出坐標(biāo)間的二維變換關(guān)系。假設(shè)點(diǎn)P為激光點(diǎn)云中的某個(gè)三維空間點(diǎn)，其二維平面坐標(biāo)為(XP，YP)，則點(diǎn)P在影像坐標(biāo)系中所對(duì)應(yīng)的像素行列號(hào)位置信息可以表示為：

(1)

公式(1)中，Col和Row分別代表點(diǎn)P在影像像素坐標(biāo)系中對(duì)應(yīng)的列號(hào)和行號(hào)，(X0，Y0)表示影像左上角像素平面坐標(biāo)，(GX，GY)表示影像橫向和縱向的地面分辨率。

激光點(diǎn)云的平面投影圖像與無人機(jī)正射影像都可以表達(dá)二維平面上的幾何位置關(guān)系，兩類圖像之間滿足仿射變換關(guān)系。若以點(diǎn)云投影圖像作為配準(zhǔn)圖像A，無人機(jī)正射影像作為參考圖像B，則圖像A中的圖像坐標(biāo)(xA，yA)通過仿射變換就可計(jì)算出其在圖像B中的像素坐標(biāo)(xB，yB)，其坐標(biāo)變換關(guān)系可以表示為：

(2)

激光點(diǎn)云與無人機(jī)正射影像屬于異源異構(gòu)數(shù)據(jù)，激光點(diǎn)云的地面點(diǎn)密度是相當(dāng)可觀的，而無人機(jī)正射影像的地面分辨率更高，其單位平方內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)量就是成千上萬的，在如此大數(shù)量的點(diǎn)陣中尋找出同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換，往往會(huì)造成融合效率的低下。針對(duì)這種情況，本文結(jié)合格網(wǎng)匹配的方法，對(duì)激光點(diǎn)云和正射影像進(jìn)行格網(wǎng)切割，由于點(diǎn)云和影像的粗略配準(zhǔn)提供了相對(duì)精確的初始位置，對(duì)二者以相同的格網(wǎng)間距進(jìn)行切割，就可以得到同名格網(wǎng)下的激光點(diǎn)云和正射影像數(shù)據(jù)，分別在各格網(wǎng)內(nèi)完成激光點(diǎn)云和正射影像的配準(zhǔn)融合，減小了同名點(diǎn)的搜索單元，一定程度上提高了激光點(diǎn)云和正射影像的融合效率。

綜上，激光點(diǎn)云和正射影像配準(zhǔn)融合的主要思路如下：

(1)利用相同的格網(wǎng)間距分別對(duì)激光點(diǎn)云和正射影像進(jìn)行切割；

(2)對(duì)三維激光點(diǎn)云進(jìn)行二維平面投影，在各同名格網(wǎng)內(nèi)建立點(diǎn)云與像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

(3)利用公式(2)求解出點(diǎn)云坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二者在二維平面上的配準(zhǔn)融合；

(4)利用點(diǎn)云與影像的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)像素進(jìn)行反投影，找到每個(gè)點(diǎn)云所對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)，從而將正射影像的顏色值賦給對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)云，生產(chǎn)出真彩色三維點(diǎn)云。

4 案例分析

“南朝四百八十寺，多少樓臺(tái)煙雨中”，南北朝時(shí)期是佛教發(fā)展的黃金時(shí)期，南京作為南朝都城，是南朝佛教文化發(fā)展繁榮的重要區(qū)域。在南京雨花臺(tái)區(qū)西營(yíng)村考古學(xué)者發(fā)掘出了大量的佛教造像和建筑構(gòu)件，包括有佛像殘件、蓮花紋瓦當(dāng)、大型石柱礎(chǔ)建筑構(gòu)件等，經(jīng)研究分析為南朝佛寺遺址和南唐窯業(yè)遺存，同時(shí)遺址展現(xiàn)出了南朝佛寺的大體布局。西營(yíng)村南朝佛寺遺址的發(fā)掘豐富了學(xué)界對(duì)六朝佛寺的認(rèn)知，對(duì)于研究南朝時(shí)期佛寺布局、建筑技術(shù)特點(diǎn)及東亞佛教文化傳播具有重要的學(xué)術(shù)意義和文化意義。

數(shù)字考古是對(duì)文物古跡進(jìn)行時(shí)空數(shù)字化記錄和表達(dá)的重要方式，三維數(shù)字化考古可以真實(shí)記錄出考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景，從而對(duì)遺址進(jìn)行最大化的保護(hù)，并可充分表現(xiàn)出遺址地物的特征信息。本項(xiàng)目分別對(duì)南京市西營(yíng)村南朝佛寺遺址進(jìn)行了機(jī)載激光雷達(dá)掃描和無人機(jī)正射影像采集，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集采用的是大疆M600PRO無人機(jī)搭載SZT-R250激光掃描儀，飛行相對(duì)航高為 100 m，掃描頻率為 100 kHz，機(jī)載點(diǎn)云的平均密度大于 120 Pt/m2，橫縱飛行共二個(gè)架次，數(shù)據(jù)采集共耗費(fèi)時(shí)間約 40 min。正射影像采集使用的是大疆精靈4RTK無人機(jī)，飛行相對(duì)航高為 100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，行速度為5 m/s，影像地面分辨率為 3 cm，數(shù)據(jù)采集耗費(fèi)時(shí)間約 35 min。遺址內(nèi)采集的激光點(diǎn)云和正射影像分別如圖2所示：

圖2 遺址內(nèi)激光點(diǎn)云和正射影像

激光點(diǎn)云和正射影像的數(shù)據(jù)處理是相互獨(dú)立的后處理方法，在融合配準(zhǔn)前二者需要在統(tǒng)一在相同坐標(biāo)系下，以此來為其粗配準(zhǔn)提供初始的平面參考。為驗(yàn)證激光點(diǎn)云和正射影像的平面精度，分別在點(diǎn)云和影像中選取了一定數(shù)量的同名特征點(diǎn)進(jìn)行平面坐標(biāo)精度分析，精度統(tǒng)計(jì)如表1所示：

激光點(diǎn)云和正射影像平面坐標(biāo)精度對(duì)比表 表1

分析表1數(shù)據(jù)可知，由于激光點(diǎn)云和正射影像的數(shù)據(jù)源不同，二者在平面坐標(biāo)上不可避免地存在著一定的偏差，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行中誤差統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出平面中誤差約為 4.5 cm。由此可以認(rèn)為激光點(diǎn)云和正射影像的數(shù)據(jù)采集及后處理質(zhì)量較高，二者已經(jīng)處于較理想的粗配準(zhǔn)狀態(tài)，基于此就可以進(jìn)行激光點(diǎn)云和正射影像的配準(zhǔn)融合。

基于激光點(diǎn)云和正射影像粗配準(zhǔn)的條件下，利用本文介紹的方法對(duì)二者進(jìn)行配準(zhǔn)融合。首先對(duì)激光點(diǎn)云和正射影像進(jìn)行格網(wǎng)切割，格網(wǎng)間距設(shè)置為 100 m，然后對(duì)三維激光點(diǎn)云進(jìn)行二維平面投影，利用坐標(biāo)變換關(guān)系分別在格網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行同名點(diǎn)的搜索，實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云與正射影像在二維平面的配準(zhǔn)融合，再根據(jù)點(diǎn)云與影像間的坐標(biāo)映射關(guān)系對(duì)正射影像進(jìn)行反投影，配準(zhǔn)融合生產(chǎn)出三維實(shí)景點(diǎn)云模型。配準(zhǔn)融合后的三維實(shí)景點(diǎn)云模型如圖3所示：

圖3 三維實(shí)景點(diǎn)云模型

由融合后的三維實(shí)景點(diǎn)云模型可以看出，二維正射影像與三維激光點(diǎn)云已完成了配準(zhǔn)融合，融合模型不僅具有三維坐標(biāo)信息，又有地物的紋理色彩信息。對(duì)融合模型進(jìn)行定性誤差分析，觀察其細(xì)部融合效果，可以看出遺址的塔基、磉墩、窯址等特征顯著區(qū)域都較精確地進(jìn)行了對(duì)準(zhǔn)，而植被覆蓋區(qū)域也取得了較好的融合效果，且特征明顯、色彩光澤，制作的三維真彩色點(diǎn)云模型具有地形地貌的立體感和真實(shí)感，提高了模型的表征性能。

為了定量評(píng)價(jià)三維真彩色點(diǎn)云模型的融合精度，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，利用GNSS-RTK對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的部分特征點(diǎn)進(jìn)行了坐標(biāo)采集，利用采集坐標(biāo)和融合后的三維實(shí)景點(diǎn)云模型中的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，來評(píng)價(jià)融合模型的整體精度。本文從其中隨機(jī)選取部分坐標(biāo)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)，選取的點(diǎn)位在遺址內(nèi)均勻分布，精度統(tǒng)計(jì)如表2所示：

三維實(shí)景點(diǎn)云模型精度統(tǒng)計(jì)表 表2

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行中誤差統(tǒng)計(jì)，來評(píng)價(jià)點(diǎn)云模型的整體精度，中誤差計(jì)算公式為：

(3)

由公式(3)可計(jì)算出三維實(shí)景點(diǎn)云模型的整體中誤差為 3.2 cm，其中模型的平面中誤差為 2.4 cm，高程中誤差為 2.1 cm。對(duì)融合模型進(jìn)一步分析可知，偏差較大的點(diǎn)位主要集中在植被與遺址的分界區(qū)域，分析其原因在于植被區(qū)域點(diǎn)云與影像融合配準(zhǔn)時(shí)特征雜亂且無規(guī)律，在坐標(biāo)投影變換和反投影著色時(shí)由于同名點(diǎn)匹配錯(cuò)誤造成了模型的偏差，而在遺址其他區(qū)域?qū)δＰ途葯z測(cè)的精度較穩(wěn)定，因此可以認(rèn)為基于本文方法制作的融合模型精度較可靠。

考古發(fā)掘不僅是一個(gè)歷史揭露的過程，同時(shí)也是一個(gè)不可逆的破壞過程，傳統(tǒng)的考古測(cè)繪方法一般是采用人工量測(cè)，輔以文字、照片等記錄，測(cè)繪效率低，繪圖精度差，而且難以復(fù)原考古現(xiàn)場(chǎng)的原景原貌?；谌S空間測(cè)繪技術(shù)的數(shù)字考古，可快速、精確構(gòu)建出遺址的三維實(shí)景模型，真實(shí)記錄了遺址場(chǎng)景的三維空間特征，同時(shí)直觀展示了遺址的空間形態(tài)分布。

由上可知，將激光點(diǎn)云和正射影像融合應(yīng)用在數(shù)字考古中，不管是其工作效率、融合配準(zhǔn)精度還是其特征信息均可以滿足數(shù)字考古的需求，同時(shí)考古發(fā)掘是一個(gè)連續(xù)、長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的過程，完整、精確地記錄發(fā)掘過程是進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)展研究的重要基礎(chǔ)?；谌S空間數(shù)據(jù)可對(duì)遺址進(jìn)行三維重建、可視化展示等，這為遺址古跡的空間特征提取和時(shí)空數(shù)據(jù)分析奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

本文基于機(jī)載激光點(diǎn)云和無人機(jī)正射影像的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究了一種激光點(diǎn)云和正射影像融合的方法，并應(yīng)用于數(shù)字考古中，以南京市西營(yíng)村南朝佛寺遺址為研究對(duì)象，主要研究結(jié)論如下：

(1)隨著信息化測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載激光雷達(dá)和輕小型無人機(jī)已可對(duì)地表進(jìn)行高效、精確的數(shù)據(jù)采集，這為數(shù)字考古提供了一種新的技術(shù)手段，不僅提高了數(shù)據(jù)的采集效率及具有全面性，而且能很大程度地減少接觸遺址古跡的不必要破壞；

(2)融合激光點(diǎn)云高精度的三維空間信息和正射影像豐富的光譜信息，可以構(gòu)建出地表真實(shí)的三維實(shí)景點(diǎn)云模型，提高了地物特征識(shí)別的準(zhǔn)確性；

(3)激光點(diǎn)云與正射影像的融合模型包含了完整的時(shí)空數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確記錄了遺址古跡的空間位置、細(xì)節(jié)尺寸、紋理色彩等信息，這為后期的遺址保護(hù)、發(fā)掘過程溯源、文物建檔修復(fù)和數(shù)字化復(fù)原展示等相關(guān)研究提供了翔實(shí)的三維基礎(chǔ)資料。