无人机摄影测量技术在文物保护的应用

关键词：倾斜摄影测量；航线设计方案；实景三维模型

倾斜摄影测量技术构建文物的实景三维模型已经用于具体的文物修复、考古等方面实践项目中，无人机航空摄影测量技术和无人机搭载传感器可以便捷、高效、快速地提供古遗址高分辨率影像数据，内业制作立面正射影像、实景三维模型等数字化产品，以此来保存 文物古遗址的各项形式数据和空间位置关系等重要资源，数字化存档可以实现濒危文物资源的科学、高精度和永久的保存。大佛保护工程实施整个过程以及修复工作完成都需要利用测绘高科技技术，构建大佛实景三维模型将大佛的容貌永久保存。构建乐山大佛的三维模 型可以直接展示乐山大佛遗产面貌与现状，也可以提供基础数据。

1 倾斜摄影测量技术

利用计算机视觉技术和多传感器集成技术快速发展为基础，倾斜航空摄影测量技术应运而生，它克服了传统竖直航空摄影系统受空间摄影姿态的限制，能获取地形、地物的顶部与侧面纹理信息，影像信息量大，利用多视角倾斜数码相机或者单镜头旋转相机，在不同 角度上对目标物获取不同角度的影像，具有丰富的纹理信息数据，生成密集三维点云和TIN格网模型，在实际应用中能快速自动化实景建模模型[1]。倾斜摄影测量作为航空遥感领域的一种新数据源，使得数字化三维建模成本降低。

2 古文物数字化的国内外研究现状

世界各国的文化遗址体现了各国历史、文化与信仰，文化遗址是不可再生资源，古文化遗址的研究与考古学、美术史以及宗教研究相互联系、相互渗透，对弘扬与发展文化遗传有重大意义[2]。早在1984年9月宋德闻等人对陕西彬县大佛寺石窟地进行了近景摄影测量工作[3]。近景摄影测量技术主要采集体积小的文物影像数据进行三维建模，大场景下的局部影像信息辅助研究文物各方面检测[4]。三维激光扫描技术采用主动成像方式获取单体文物或小场景遗址的精非接触几何数据完成单体文物高 精度三维重建[5]。国外最早知名项目是2003年美国的米开朗基罗数字化项目，扫描大卫雕像模型结合高分辨率照片进行三维建模[6]。对于纹理特征丰富的不可移动石窟文物和大场景古遗址的三维模型的构建，无人机倾斜摄影测量技术具有很强 的优势，能快速、高效、低成本建立实景三维模型，实际应用价值非常大。因此，基于倾斜摄影测量的石窟文物的三维建模应用研究有非常大意义。

3 乐山大佛保护修复工程

3.1 乐山大佛概况

四川乐山大佛是世界上最大的一尊壮观、雄伟的摩崖雕凿的佛，至今有1300年历史，大佛为弥勒佛坐像，特有71m通高的“山是一尊佛，佛是一座山”的景观。乐山大佛作为世界自然与文化双遗产，是古代劳动人民智慧的缩影，具有历史价值，体现古代人民宗教文化信仰以及高深的艺术价值[7]。乐山大佛属于摩崖石刻，作为露天保存大型不可移动文物，红色砂岩多孔结构矿物集合体抗风化能力弱，大佛历经千年沧桑，正遭受着风化、石化、酸化的威胁，乐山大佛本体开裂垮塌破坏等，需要得到长期全面的有效保护。

3.2 大佛影像数据的采集

航测数据采集过程可以为考察拍摄测区地形地物形态而确定无人机拍摄模式、计算设定航摄参数、操作无人机飞行作业。石窟所在的地形、大佛自身的形态，乐山大佛属于半立体石窟，大佛周边设置了观景台，景区树木比较茂盛，航拍时要拍摄大佛所有可视面的影 像与大佛左侧与右侧的山体。选择人工遥控操作无人机，按照大佛及左右山体结构设计为S型横向与N型纵向相结合的多层航线设计方案。航拍时从外层到内层飞行，在外层底部多加一条横向航线，以N竖向为主的航线。相机镜头角度由驾驶员控制，如图1摄影机镜头垂直 于大佛整体区域，摄影机镜头向下倾斜，摄影机镜头接近竖直向下，摄影机镜头面向大佛右侧山体，驾驶员需要随时调整拍摄间隔以及镜头的角度进行拍摄。phantom4pro无人机搭载具有2000万像素的高清非量测数码相机，第一次航拍共拍摄了乐山大佛及周边山体256张 影像。

3.3 实景三维模型的构建

手动控制无人机飞行获取的影像数据包含各个角度的倾斜影像和竖直影像，影像自带POS数据，乐山大佛本体上的特征点作为像控制点，用全站仪测量像控点的坐标。使用ContextCapture三维建模软件进行建模，导入影像数据、控制点影像关联与控制点的刺设、提交空中三角测量任务，空中三角测量任务完成生成空三质量报告，乐山大佛空三报告中的信息，地面覆盖范围为28820.05m2，平均地面分辨率为12.41456mm/pixel。选择空间框架选项卡进行切块设计，设置规则立体切块，设置瓦片大小，设置需要建模的兴趣区域，产品类 型包括三维网格（3Dmesh）、三维点云（3DPointCloud）、正射影像（Orthophoto）等，如图2修复工程中乐山大佛三维模型。

3.4 实景三维模型的意义

乐山大佛属于世界文化遗产，大佛保护工程实施整个过程以及修复工作完成都需要利用测绘高科技技术，构建大佛实景三维模型将大佛的容貌永久保存。乐山大佛遗产核心区航空影像数据获取与乐山大佛的监测预警系统构建为世界文化遗产的保护提供了很好的范例 ，有非常重大的意义。乐山大佛的修复前实景三维模型可以给文物修复专家提供文物参考数据，间接帮助专家分析大佛修复前的现状。乐山大佛整体受到风化作用等自然因素侵蚀，大佛局部岩石表层剥离处，颈部与右手下部都有岩石破损处，破损严重的右脚已用块石、 人工杂土等附加层充填覆盖。乐山气候湿润，大佛身上长着比较茂密的草本植物，从模型上能看到草本植物清晰的纹理信息，草本植物根部会释放出来酸，酸对砂岩会产生分解作用，修复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种小动物，因 此大佛亦受各种病虫的危害等。

4 结论

应用无人机近景倾斜摄影测量的方案，探索倾斜摄影测量技术如何更好地服务于文物保护工程中。构建乐山大佛的三维模型以及遗产周边正射影像，实景三维模型最直接展示乐山大佛遗产面貌与现状，为分析岩体的变性保护工程主体实施提供基础数据。乐山大佛保 护工程及乐山大佛周边景区旅游安全，需要获得大佛及周边环境景观的基础地理数据，对乐山大佛保护工程进行监测预警，为保护工程提供最直接的基础数据。