左江花山巖畫綜合數字信息采集與分析研究

歐波　朱秋平　胡鵬程　王顧　王少華　胡慶武　葉雪峰　游煒侃　莫志東

摘要：廣西左江花山巖畫數字化記錄與應用研究項目，綜合運用現代測繪地理信息技術及計算機技術，全面采集左江花山巖畫數據并嘗試多種創新性技術。采用的無人機航測、數字近景攝影測量、三維激光掃描、全景影像等現代科學技術，快速、準確、完整地采集巖畫精確空間數據、紋理數據等；并采用三維技術對巖畫進行三維建模仿真，構建了一個服務于巖畫研究、保護和展示的信息系統。所獲得的成果進一步補充、完善和修正了前人在巖畫記錄上的不足，為巖畫的研究、保護、展示、申遺等工作提供了精準的基礎數據保障。

關鍵詞：左江花山巖畫；巖畫數字化記錄；巖畫信息采集

一、背景與目的

從20世紀50年代開始，學者們對左江流域巖畫先后進行過五次較大規模的考察和調研，共發現巖畫點八十余處，并進行了相關研究，取得了一系列科研成果。受限于當時的儀器設備和技術手段，前人多采用傳統的巖畫調查方式和記錄方法，對于距離較近的巖畫，除拍照外，主要依賴于手工臨摹來獲取基本的巖畫信息。而對于一些距離較遠、位置偏高且無法近距離觀察的巖畫，通常采用遠景長變焦鏡頭拍攝來獲取畫面形象。尤其是巖畫的具體尺寸，更多是靠估量來完成，在出版發表的書籍和文章中大量出現“約”“大約”等詞，調查和記錄的最終結果與實踐情況存在一定差距。隨著現代科技的進步，各種先進技術正廣泛運用于文化遺產的記錄、監測、保護、利用等各個方面。隨著巖畫學科的研究不斷深入和公眾對巖畫藝術關注的日益增強，有必要廣泛且深入地開展高新技術在左江花山巖畫的應用及成果開發工作。

在廣西壯族自治區文物局的指導下，與寧明縣文管所、廣西民族博物館共同合作，武漢數文科技有限公司開展了廣西左江花山巖畫數字化記錄與應用研究工作，目的在于綜合應用現代測繪技術對左江流域重要區域巖畫開展科學系統的信息采集，進一步補充、完善和修正前人在巖畫記錄上的不足，為當前巖畫科學研究工作提供精確數據依據。

二、數據采集與難點

（一）實施范圍

廣西崇左市寧明縣和龍州縣境內24處巖畫。順著江水流向，巖畫排列如表1所示。

（二）主要內容

靈活利用多旋翼無人機、三維激光掃描儀、高清數碼相機、全站儀等設備開展外業工作，運用無人機航測、數字近景攝影測量、三維激光掃描、全景影像等技術采集寧明、龍州縣域內左江沿岸的24處巖畫點基礎數據，完成巖畫空間信息、紋理、影像及周圍環境信息采集，獲取巖畫準確三維彩色點云及高清巖畫圖像等數據。點云數據精確度控制在毫米級；制作巖畫高清正射影像；獲取巖畫所處自然環境地面720度全景影像；獲取巖畫所處自然環境空中720度全景影像；建立三維數字模型及動畫場景；制作黑白巖畫數字拓印；制作巖畫高清宣傳視頻；開發左江花山巖畫數字成果綜合信息管理系統等。

（三）技術難點

1.巖畫分布范圍廣，畫面位置高：左江花山巖畫延綿分布在連亙左江數百公里的崖壁上，本項目中寧明至龍州境內巖畫分布河段長約58公里。巖畫畫面大多分布在距離水面15-100米之間，最高可達130米。其中規模最大的寧明花山巖畫，崖壁高達250米，畫面距江面約15-110米，其19組圖像中最大的一組畫面寬41.45米，高34米，面積約1409平方米。獨特的巖畫分布情況，在客觀上給基礎數據采集工作帶來相當大的難度。

2.巖畫所處地形復雜：巖畫所處崖壁面臨江，大多處在河道拐彎處，畫面方向總是面向江水來向；作畫崖壁多選平整、基本垂直于地面或上部外突下部內凹者；多數崖壁下方植被密集，部分畫面有遮擋情況。復雜的地形為外業工作場地要求平穩、采集畫面必須無遮擋以保證采集數據的穩定性和完整性帶來非常大的干擾。

3.無人機起降及攝影距離問題：左江江面寬度不均，最寬處可達200米，最窄處幾十米，只有部分巖畫所處崖壁的對岸有平緩臺地，缺少儀器架設及無人機起降安全作業場地；無人機續航時間有限，江面寬度過大使得無人機與山體距離較難把握，容易出現撞機情況；在江面的船舶甲板上作業時，地面全景影像等因水流影響無法穩定采集，無人機起降存在一定安全隱患；空中攝像及720度全景影像采集工作中，無人機與山體距離過遠或過近都會影響后期成像質量，如何穩定保證最佳攝影距離也是難點之一。

4.目前攝影測量影像處理需要相機標定參數、影像數據、影像pos數據和控制點數據。因巖畫所處環境特殊，項目實施過程中相機必須使用變焦鏡頭才能保證影像清晰度，無法實現相機標定。受現場復雜環境影響，無人機的影像數據采集工作均為手動操控，無法獲取影像pos數據。后期數據制作中需要解決在無相機標定參數和影像pos數據的情況下制作巖畫立面正射影像圖的問題。

（四）實施方法

1.外業控制點布設：由于巖畫所處崖壁均臨江而立，畫面區域分布高，山腳下無合適區域進行站點布設，技術人員只能在河對岸進行全站儀設站打點。為保證每一個控制點位置準確、精準，使用后方交會方式在對岸設站，對巖畫區域1 0米×1 0米的范圍以2米為點間距單位進行均勻布設25個控制點，并且直接在高清照片上制作電子點之記以存檔，作為后期處理數據的依據。

2.三維激光掃描儀數據采集：選取三維激光掃描儀RIEGL VZ-400對巖畫進行掃描獲取點云數據。該設備簡潔輕便，每秒可發射最高300，000點纖細激光束，提供0.0005度角分辨率，最遠射程600米，單次掃描精度為3毫米，多次掃描精度可達2毫米。項目組成員在距離巖畫山體對面江岸邊掃描，獲取高精度點云數據。

3.無人機航測：此項工作使用了2架八旋翼無人機，搭載Canon 5D MAX3高清相機和高清攝像機。作業時遙控無人機飛至距巖畫山體約15-25米處懸停，按照設計好的航向并保持所拍畫面有80%重疊度，開展巖畫近景攝影及景觀視頻拍攝，獲取巖畫和山體的正攝影像及高空環境俯視影像。如在龍州縣的棉江花山巖畫點，航測過程采用無人機按照航向重疊80%、旁向重疊60%標準進行近景攝影測量，僅此處一個點共采集256張高清影像數據。

4.空中、地面全景數據采集：采集設備采用佳能5D Mark川相機機身和佳能EF 8-15mm f/4L USM魚眼鏡頭，搭載有無人機和地面兩種平臺。拍攝時調整好景深和曝光度，同一組相鄰照片之間有30%重疊度。

地面全景拍攝作業時提前詳細勘察現場設置掃描站點，挑選有針對性、能體現全局效果的區域進行拍攝。拍攝時對焦環、焦距根據實際情況進行調整至清晰并固定，直至當前站點全部拍攝完畢。ISO必須調至相機最低值，光圈曝光時間和景深調整以圖片的最佳顯示效果進行調整。全景拍攝水平方向每隔一定角度拍攝1張，保證相鄰照片有20%-25%重疊度，頂部及底部再各拍攝1張。1個拍攝站點共完成3組及以上不同曝光值全景拍攝（高反差等情況采用）。

空中全景拍攝中機身掛載在云臺上，相機鏡頭根據與巖畫距離采用24mm平面鏡頭。無人機被遙控飛至最佳位置進行懸停，以水平角度每間隔30度拍一張的頻率旋轉一周進行拍攝；完畢后遙控云臺向下傾斜20度，按如上方式再拍第二圈；第三圈拍攝也采用同樣操作方式。最后調整相機鏡頭垂直向下，旋轉無人機拍攝約10張照片即可。

三、數據處理及成果

（一）巖畫本體正射影像圖

外業航測獲取的所有數據，后期在計算機里對原始影像進行特征提取、匹配、平差、定向、投影、糾正等處理最終得到具有高分辨率、可量測的花山巖體正立面正射影像。數據通過利用GodWork（無人機攝影測量數據自動處理系統）智能化畸變改正，通過采用統一單位、參數連續變化等方法計算初始參數，糾正無人機像片畸變，最大程度上減少誤差；進行航片空三處理，基于顯著性檢驗和預平差的GPS誤差參數單元劃分方法，自動判別誤差參數單元。進行控制網的相對定向處理之后，加入前期采集的巖畫控制點數據并入網中進行GPS絕對定向，賦予相片以絕對坐標信息。采用三維激光點云為控制點構建正攝影像與控制點的幾何關系模型，通過后方調繪原理求解影像外方位元素，獲取高精度正攝影像。再對正射影像之間進行色調、灰度值進行調整處理，最終輸出1：20巖畫本體正射影像航測比例圖。

（二）地、空720度全景圖像

地面和空中所采集圖片數據在計算機里用ptgui等軟件進行全景拼接、切片，運用pano軟件對輸出圖像裁剪進行縫補對接，并加載到后續軟件中融合處理，最終生成360度地、空全景影像。

具體實施步驟如下：

（1）拍攝連續性照片：由于拍攝全景圖像無法一次將360度場景拍攝完整，所以必須分多角度依序旋轉且一張一張的拍攝下來，重疊部分至少55%以上，這樣的連續照片才有縫合的空間。

（2）傳輸到電腦：方法有三種，影像檔案、數碼相機、掃描儀。

（3）影像縫合：它必須經過對齊、變形及混合三道程序來執行。

（4）調整個別照片的效果：若覺得照片之間的差異度頗大，要進行人工單張的調整，直到滿意為止。

（5）全景圖輸出：制作好的全景圖可以保存后通過本地全景瀏覽器展示或者制作網頁供人瀏覽。

（三）巖畫本體三維交互模型

通過三維激光掃描儀獲取的花山巖畫山體點云數據則導入點云預處理軟件進行拼接、賦色、刪噪等處理，導出.xyz格式數據到Geomagic中進行去除體外孤點、減少噪點、統一采樣、封裝等操作，最終生成能夠真實反映巖體表面形態的三維模型。

紋理映射處理環節則將三維模型導入到3 DMAX中對模型的UVW進行編輯，展開模型的UV線導出到Photoshop中與無人機航拍所獲取的高清正射影像精確配準，并在3D MAX材質編輯器中將帶有UV線的圖片貼圖賦予三維模型，從而生成具有真實色彩的巖畫山體三維模型。將具有真實色彩的花山模型導入三維游戲引擎，定制化編制程序腳本，實現具有體驗效果的三維可視化展示程序，最終在U3D中生成.exe格式的三維交互系統。

（四）巖畫黑白數字拓印

將彩色正射影像圖片加載至Photoshop中對目標圖像進行手動準確勾勒，確保無誤后再將圖片進行特效處理，彩色圖像轉成灰度圖，消除光照不均，將連續色調圖像轉換成非連續色調圖像后去黑白顆粒，最終生成黑白數字圖形拓印。

（五）景觀視頻

后期在計算機上對無人機所采集的原始視頻素材進行了合理剪輯和處理，結合研究人員編排的腳本。從多角度、多方位直觀展示巖畫及巖畫所在區域景觀風貌。

（六）左江巖畫數字成果綜合信息管理系統

在獲取多種數字化成果后，為能夠更好地管理和展示成果，將多源數據集成到成果三維GIS管理與展示軟件，是不可缺少的環節。此左江巖畫綜合信息管理系統，采用B/S模式，以左江巖畫的24處巖畫點為載體建立詳盡的數據庫架構，對所包含巖畫點的空間地理分布和尺寸、巖畫立面、巖畫山體所處場景等基本資料以及有關的文本、圖形圖像、高清視頻等信息進行可視化動態管理，能夠方便地進行分層或綜合顯示、查詢、模擬各類數據信息。

四、重點成果分析

本次項目所有成果按類型可按如下表格進行表述，下面將對重點成果進行分析。

（一）巖畫本體正射影像圖分析

1.測量精度對比分析

因左江花山巖畫是在凹凸不平的懸崖上進行繪制，通過傳統的拓印方法可以獲得較為準確的兩點之間最短的巖面距離，而通過制作的正射影像圖可以非常準確地測量巖畫本體任意兩點之間的空間直線距離。

總結兩組數據對比，如下表所示：

由此可以分析出：

（1）傳統拓印的測繪精度為厘米級，而通過正射影像圖測繪的精度可以達到毫米級；（2）同一個巖畫，兩者之間的測量數據不一致，且測量數據差額因測量距離變大而變大，符合其空間關系。因此，以正射影像圖為基礎的測量數據準確度及精確度都非常高，為巖畫的研究、保護、展示、復原等工作帶來了大量準確的基礎數據依據。

2.巖畫面積測算分析

通過獲取的基礎數據，在Golbal Mapper軟件上對某個封閉區間進行面積測算，可獲得某個巖畫本體的面積。

該成果創造性地提供了巖畫本體準確的面積測算方法，為整個左江花山巖畫的規模定量、復原等研究提供了詳實的基礎數據支撐。計算方法如下：

把拓片黑白tif或者ipg格式圖片在Photoshop里面轉換成矢量線數據；把導出的矢量數據在Al軟件里面導出dwg格式數據；把dwg格式數據在ARCGIS里面轉成可用的shp格式數據；在ARCGIS軟件中把shp格式的數據和帶坐標的正攝影像數據用添加控制點的方法進行配準；配準后把數據導出來；數據導出來后再在ARCGIS軟件中指定坐標；最后再在ARCGlS軟件中統計面積。

（二）地、空720度全景照片分析

應用全景拍照技術，對巖畫點的地面及空中拍攝全景影像數據，再經由后期數據處理獲得720度全景照片，全景照片清晰、曝光適中、色彩偏差少、站點設置合理，能良好反映巖畫區域環境，可以從任意視角欣賞廣西左江花山巖畫文化景觀。

（三）黑白數字圖形拓印分析

傳統巖畫拓印方法受限于現場環境，導致難度大、過程復雜、易損壞巖畫本體。巖畫電子拓片主要是在巖畫正射影像圖的基礎上，進行手動勾勒，確保無誤后再將圖片進行特效處理，最終生成黑白數字圖形拓印。運用該技術方法獲得的成果真實準確，完整無缺失，在解決了傳統拓印方法難點的基礎上，體現了巖畫的整體性。

五、總結

本項目綜合運用現代測繪地理信息技術及計算機技術全面采集左江花山巖畫數據并嘗試多種創新性技術，其中的無人機航測、數字近景攝影測量、三維激光掃描、全景影像等技術相結合，解決了多項技術的壁壘。工程實施過程中對實施難點進行了技術革新，成果精度高，影像清晰，數字化展示系統全面高效。所獲得的成果為巖畫的研究、保護、展示、申遺等工作提供了精準的基礎數據保障。

1.數據質量和數據獲取效率得到顯著提高，為科學研究和保護、提供有力數據支撐。無人機與三維激光技術運用到巖畫影像及空間數據獲取中，取代傳統拍攝與測繪方法，提高成果質量，達到快速、安全、高清晰度、高精細度的效果。這兩種方法的結合方便有效、用途廣泛，尤其利于在類似左江花山巖畫這種復雜地形下的數據獲取。數據數值準確率突破了以往測量精度，精確度提高至2-5毫米。海量的真實原始數據，為巖畫研究、修復還原及其他文物保護工程提供直觀可靠的數據依據。

2.數據更全面完整，左江花山巖畫更形象直觀，豐富左江花山巖畫文化遺產的宣傳與傳播。長期以來對于左江花山巖畫的可視資料圖大部分停留在二維平面資料或者文字記錄資料上，能提供的信息非常有限。通過無人機拍攝、三維激光掃描、全景影像等技術的融合，擴大了巖畫的宣傳廣度與深度，更加直觀、全面、準確地表達了左江花山巖畫文化遺產。同時，對無人機獲取的影像數據進行科學處理與加工，可對左江花山巖畫進行完整、直觀的可視化還原，全方位展示左江花山巖畫現狀。通過正射影像等數據，結合地形圖、三維場景紋理圖片，利用地物模型數據和巖畫模型數據，可在應用系統平臺下進行三維虛擬展示。同時，還可利用三維激光掃描儀測量的巖畫表面的三維激光點云數據構建巖畫真彩色三維模型，重點實現巖畫部分的三維重建及動畫制作。通過逆向工程軟件及輸出技術，還可復原巖畫縮尺或全尺寸實體模型。大量的高清影像，也為巖畫專題陳列、巖畫虛擬博物館的建立提供基礎素材，積極助力左江花山巖畫文化遺產的傳播。

3.推動左江花山巖畫保護工作的現代化進程。三維激光掃描測量、三維建模、虛擬現實、無人機航測、計算機等各類數字化、可視化技術的綜合運用，提高了左江花山巖畫保護工作的科技含量，促進了左江花山巖畫保護工作向著高科技、現代化發展，同時隨著應用集成軟件系統的實用化程度不斷提高，左江花山巖畫的數字化保護和展示傳播也將會進一步向精確定位、海量數據存儲和遠程信息服務的方向發展。