無人機遙感在大型不可移動文物三維重建中的應用

作者 於丙辰等

無人機遙感具有結構簡單、成本低、風險小、靈活機動、實時性強等獨特優點，正逐步成為衛星遙感、有人機遙感和地面遙感的有效補充手段。而微型無人機的普及使其應用更加廣泛，成為三維空間數據採集的重要方法，如災害監測、工程測量等。同時，以近景攝影測量和計算機視覺理論為基礎的基於圖片的三維重建在數字城市、DEM獲取、石刻文物等領域得到了較好的應用。

將無人機遙感與基於圖片的三維重建相結合，被引入到考古、文物保護方面的文物數字化研究，如考古遺址、古建築等的三維重建。而目前常用的激光雷達掃描、工業CT掃描等手段，存在儀器價格高昂、操作複雜、不易攜帶、對文物表面有損害等不便之處，在精度要求一般的文物保護領域存在一定困難。

南京六朝陵墓石刻歷史悠久，具有很高的歷史價值。其體型巨大，為不可移動文物。長期以來，野外環境下的石刻受風化、酸雨等自然侵害及盜拓等人為破壞，文物表面遭受一定損害。偏僻的位置也不便於普通民眾參觀遊覽。而三維重建模型可以保留文物原始樣貌資料，同時可用作虛擬三維展示面向民眾展覽。但巨大的體型與文物保護的要求，使得其表面數據採集存在一定困難。

針對上述問題，本文基於無人機遙感等技術，以南京六朝陵墓石刻的優秀代表--蕭景墓石刻為例，對其進行三維重建研究。

1 研究對象與技術

1.1 研究對象

蕭景墓石刻全稱梁吳忠平侯蕭景墓神道石刻，位於南京市棲霞區十月村。原為石辟邪與神道柱各一對，現存西側神道柱與東側石辟邪，為國家文物重點保護單位。東側石辟邪體長約3.8 m，寬約1.55 m，高約3.8 m，曾作為南京市標的主體圖案。西側神道柱是南京同類文物中保存最完好和最具有代表性的一尊，通高約6.5 m。

1.2 無人機遙感與基於圖片的三維重建

微型無人機具有體積小、價格低、性能較好的特點，被廣泛應用於獲取航攝數據。微型無人機具有空中懸停、變換鏡頭視角的功能，可以從低空對大型不可移動文物多角度拍攝，獲取包含立體像對的影像圖片。與數碼相機不同，微型無人機具有慣性導航功能，拍攝的無人機影像帶有精確的位置信息與外方位元素。影像的位置信息與外方位元素（外方位元素是指，攝影光束在像片攝影瞬間的空間位置和姿態的參數 ）可提高三維重建中影像位置復原的效率與成功率，其重建結果也帶有精確的位置信息，便於導入三維GIS平台處理與展示。本試驗採用的微型無人機為大疆GL3000型。

基於圖片的三維重建是指以計算機視覺、近景攝影測量理論為基礎，利用地物的數碼圖像信息重建其三維結構的技術，並可為三維模型附加真實紋理，獲得高還原度、高逼真度的模型。基於圖片的三維重建綜合了計算機視覺與近景攝影測量的優點，只需較少控制點甚至不需要控制點即可快速復原各個相片的空間位置，直接進行空中三角測量重建出物體的密集點雲與紋理信息，然後可導出所需的三維模型。該方法簡化了近景攝影測量的步驟，也彌補了計算機視覺方法缺少的精確地理位置信息。

三維重建基於Smart3Dcapture(簡稱S3C)軟體平台進行，它是法國Acute3D公司研發的基於圖形運算單元GPU的快速實景三維重建軟體，可以自動完成三維重建並生成帶真實影像紋理的高精度三維模型，極大地方便了三維重建流程。

2 蕭景墓石刻三維重建

2.1 技術流程

蕭景墓石刻的三維重建流程包括野外數據採集、室內數據加工和模型處理3部分。通過野外採集數據獲取石刻的無人機影像等數據；在室內數據加工過程中，利用所採集的像片數據構建三維空間點雲，之後重建出研究對象的三維模型；最後對三維模型進行拼接、裁剪等後期處理。技術流程如圖1所示。

2.2 野外數據採集

數據採集是三維重建的關鍵步驟，數據採集質量將決定三維重建的質量。在採集前應詳細設計採集方案，使數據採集得到足夠的立體像對和清晰的表面紋理，並確保數據採集的完整性。採集工具包括微型無人機、手持GPS、微單相機、紅外測距儀等。微型無人機用於採集石刻上部和頂部等高度較高處的影像數據，同時採集整個研究區的航空影像數據用於製作DOM（Digital Orthophoto Map的縮寫，意為數字正射影像圖）。微單相機用於採集石刻下部較低處的影像數據。手持GPS和紅外測距儀用於測量布設工作。

數據採集方案如圖2所示，按照不同高度環繞石刻來拍攝。其中地面微單相機採集3組，在可以獲取全局整體影像的較遠距離拍攝一組；在可以獲取清晰表面紋理的較近距離拍攝兩組，分別為較低高度(距地面約0.5 m)和較高高度(距地面約1.3 m)。每組環繞石刻設置8~16個拍攝點，保證相鄰拍攝點有50%以上的重合度，在同一組拍攝過程中應使用相同的焦距。每個拍攝點按照不同的視角和方位拍攝多張照片，以獲取足夠的立體像對。在拍攝同時利用手持GPS採集攝點的位置信息。

無人機空中拍攝與地面微單相機採集類似，按不同的高度環繞石刻進行拍攝，利用無人機的懸停與鏡頭調向的功能，拍攝不同視角和不同方位的多張照片，同時保證相鄰拍攝點間的重合度。對石刻頂部應詳細拍攝，確保頂部數據採集的完整性。之後，拍攝研究區的航空影像，自某一邊角開始，沿與某一邊界平行的航線在研究區內往返拍攝，每隔一段距離懸停拍攝照片，並保證相鄰照片重合度在60%以上，直至拍攝完畢。

數據採集結束後，根據實際情況，應補拍一些照片，如外圍無法直接拍攝的石辟邪腹部等位置。最後，用紅外測距儀測量石刻基座的尺寸及兩石刻間的距離等數據備用。

本試驗共採集影像837張，其中石辟邪392張、神道柱278張、正射影像167張。

2.3 室內數據加工

室內數據加工包含影像數據預處理、三維重建軟體處理和三維模型導出3部分。影像數據預處理將GPS採集的攝點位置信息賦予在該點微單相機拍攝影像的EXIF信息中。

三維重建軟體處理是三維重建的核心部分，將採集的影像數據導入S3C中，S3C自動化程度很高，數據採集質量較好的情況下，使用默認設置即可。其處理過程先是復原相片位置與空中三角測量，利用照片信息及圖像匹配演算法將每張相片拍照時的位置、狀態復原，並生成空間點雲，可以根據點雲生成結果，判斷重建的效果。如果效果較好，則可生成帶有精確位置信息、較高精度的三維模型。模型生成將消耗較多的顯存和內存，需合理設置分塊、紋理質量等參數，使效率最優。圖3為所得結果。此外，還可以生成研究區DOM、DEM（Digital Elevation Model的縮寫，意為數字高程模型），作為基礎地理數據。

2.4 模型後期處理

在石刻三維重建完成並導出之後，還需使用三維建模軟體對模型進行拼接、裁剪、置平等後期處理。由於模型為分塊導出，需要將不同的分塊拼接起來；模型四周的無關區域或不規則邊界應裁切掉；為便於展示，模型應通過置平來保證水平。

通過以上技術流程，獲得最終的三維重建結果。理論上，僅需兩個工作日即可完成約10 000 m2範圍及兩座石刻的數據採集與三維重建工作。

3 問題與評價

3.1 技術問題研究

在三維重建過程中，會出現空間點雲分為多部分、模型孔洞等問題，本文對上述技術問題進行了研究解決。

空間點雲分為多部分多因數據採集時相鄰影像未保證一定的重疊度而造成。可以通過添加Tie Point(聯結點)解決，Tie Point是指不同影像可以互相匹配的點，從而將照片聯結起來。添加時，確認模型分為幾部分，盡量在各部分間聯結。設定完之後重新生成點雲，若仍有錯誤則重新添加，直至獲得較好結果。

模型孔洞多發生於數據採集不完全的部位，在無法重新採集的情況下較為麻煩，多利用三維建模軟體對其進行修補。孔洞較大難以修補時，則應重新生成。

3.2 精度評價

本文技術流程的三維重建文物精度較高，文物表面的細小花紋、碑面文字都可以很好地完成重建。選取相對規則的神道柱基座作為典型區，利用軟體反覆量測，精度評價報告見表1。

由表1可知該重建結果的相對精度可達1:700~1:1600之間，可較好地滿足文物研究的需求。

3.3 實用性評價

通過與激光雷達掃描的數據採集方式進行對比，從採集工具、流程、效率、精度、成本等角度對本文的技術流程的實用性進行評價，結果見表2。

由表2可知，與激光雷達相比，本文的技術流程具有工具輕便、靈活性高、操作簡單、成本較低、數據處理流程簡單及對文物無危害等優點。同時，本技術流程存在數據精度較低、受天氣限制、採集效率較低等缺點。但是相對所花費的成本，本研究的精度、採集效率具有極高性價比。

4 結語

本文利用微型無人機等工具以南京六朝時期蕭景墓石刻為例對大型不可移動文物的三維重建進行了研究，對其中的技術難點進行了討論，並對其精度和實用性進行了評價。得出以下主要結論：

(1) 提出了一套完整的針對大型不可移動文物的精細表面幾何與紋理數據採集，以及三維重建的技術流程。該技術流程具有成本低廉、靈活易操作、數據處理流程簡單、效率較高和對文物無破壞等優點。

(2) 為大型不可移動文物保護、研究與展示提供了新的研究思路。三維重建結果精度較好地滿足了文物研究需求，且更加便捷。同時精細的紋理貼圖具有逼真的展示效果，滿足了公眾參觀的需求，並可以全方位近距離欣賞。

(3) 可作為三維GIS平台新的數據採集方法和數據源。該流程重建的三維模型帶有精確的位置信息，可直接導入三維GIS平台中使用，作為虛擬地理環境展示的數據源。

在三維重建過程中，仍存在模型貼圖出錯、模型孔洞等問題，目前多採用修補方法，進一步的研究中，將從數據採集方面探究其原因，對其進一步解決。

綠色文字由GeoTalks補充。

學術技術會議

（2017年8月16-18日，西寧）

（2017年10月20-21日，深圳）

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