無人機傾斜攝影測量技術在文物保護修復工程的應用

茍彥梅 吳凱諾

（1.甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741000；2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

【關鍵字】傾斜攝影測量；航線設計方案；實景三維模型

0 引言

傾斜攝影測量技術構建文物的實景三維模型已經用于具體的文物修復、 考古等方面實踐項目中，無人機航空攝影測量技術和無人機搭載傳感器可以便捷、高效、快速地提供古遺址高分辨率影像數據，內業制作立面正射影像、 實景三維模型等數字化產品，以此來保存文物古遺址的各項形式數據和空間位置關系等重要資源，數字化存檔可以實現瀕危文物資源的科學、高精度和永久的保存。 大佛保護工程實施整個過程以及修復工作完成都需要利用測繪高科技技術，構建大佛實景三維模型將大佛的容貌永久保存。構建樂山大佛的三維模型可以直接展示樂山大佛遺產面貌與現狀，也可以提供基礎數據。

1 傾斜攝影測量技術

利用計算機視覺技術和多傳感器集成技術快速發展為基礎，傾斜航空攝影測量技術應運而生，它克服了傳統豎直航空攝影系統受空間攝影姿態的限制，能獲取地形、地物的頂部與側面紋理信息，影像信息量大， 利用多視角傾斜數碼相機或者單鏡頭旋轉相機， 在不同角度上對目標物獲取不同角度的影像，具有豐富的紋理信息數據，生成密集三維點云和TIN 格網模型，在實際應用中能快速自動化實景建模模型[1]。傾斜攝影測量作為航空遙感領域的一種新數據源，使得數字化三維建模成本降低。

2 古文物數字化的國內外研究現狀

世界各國的文化遺址體現了各國歷史、文化與信仰，文化遺址是不可再生資源，古文化遺址的研究與考古學、美術史以及宗教研究相互聯系、相互滲透，對弘揚與發展文化遺傳有重大意義[2]。早在1984 年9 月宋德聞等人對陜西彬縣大佛寺石窟地進行了近景攝影測量工作[3]。 近景攝影測量技術主要采集體積小的文物影像數據進行三維建模，大場景下的局部影像信息輔助研究文物各方面檢測[4]。 三維激光掃描技術采用主動成像方式獲取單體文物或小場景遺址的精非接觸幾何數據完成單體文物高精度三維重建[5]。 國外最早知名項目是2003 年美國的米開朗基羅數字化項目，掃描大衛雕像模型結合高分辨率照片進行三維建模[6]。 對于紋理特征豐富的不可移動石窟文物和大場景古遺址的三維模型的構建，無人機傾斜攝影測量技術具有很強的優勢，能快速、高效、低成本建立實景三維模型，實際應用價值非常大。因此，基于傾斜攝影測量的石窟文物的三維建模應用研究有非常大意義。

3 樂山大佛保護修復工程

3.1 樂山大佛概況

四川樂山大佛是世界上最大的一尊壯觀、雄偉的摩崖雕鑿的佛，至今有1300 年歷史，大佛為彌勒佛坐像，特有71 m 通高的“山是一尊佛，佛是一座山”的景觀。 樂山大佛作為世界自然與文化雙遺產，是古代勞動人民智慧的縮影，具有歷史價值，體現古代人民宗教文化信仰以及高深的藝術價值[7]。 樂山大佛屬于摩崖石刻，作為露天保存大型不可移動文物，紅色砂巖多孔結構礦物集合體抗風化能力弱，大佛歷經千年滄桑，正遭受著風化、石化、酸化的威脅，樂山大佛本體開裂垮塌破壞等，需要得到長期全面的有效保護。

3.2 大佛影像數據的采集

航測數據采集過程可以為考察拍攝測區地形地物形態而確定無人機拍攝模式、 計算設定航攝參數、操作無人機飛行作業。 石窟所在的地形、大佛自身的形態，樂山大佛屬于半立體石窟，大佛周邊設置了觀景臺，景區樹木比較茂盛，航拍時要拍攝大佛所有可視面的影像與大佛左側與右側的山體。選擇人工遙控操作無人機，按照大佛及左右山體結構設計為S 型橫向與N 型縱向相結合的多層航線設計方案。航拍時從外層到內層飛行， 在外層底部多加一條橫向航線，以N 豎向為主的航線。 相機鏡頭角度由駕駛員控制，如圖1 攝影機鏡頭垂直于大佛整體區域，攝影機鏡頭向下傾斜，攝影機鏡頭接近豎直向下，攝影機鏡頭面向大佛右側山體，駕駛員需要隨時調整拍攝間隔以及鏡頭的角度進行拍攝。 phantom4pro 無人機搭載具有 2 000 萬像素的高清非量測數碼相機，第一次航拍共拍攝了樂山大佛及周邊山體256 張影像。

圖1 樂山大佛的航線及攝影角度

3.3 實景三維模型的構建

圖2 修復工程中樂山大佛三維模型

手動控制無人機飛行獲取的影像數據包含各個角度的傾斜影像和豎直影像，影像自帶POS 數據，樂山大佛本體上的特征點作為像控制點，用全站儀測量像控點的坐標。 使用ContextCapture 三維建模軟件進行建模，導入影像數據、控制點影像關聯與控制點的刺設、提交空中三角測量任務，空中三角測量任務完成生成空三質量報告，樂山大佛空三報告中的信息，地面覆蓋范圍為28 820.05m2，平均地面分辨率為12.414 56 mm/pixel。 選擇空間框架選項卡進行切塊設計，設置規則立體切塊，設置瓦片大小，設置需要建模的興趣區域，產品類型包括三維網格 （3Dmesh）、三維點云（3D Point Cloud）、正射影像（Orthophoto）等，如圖2 修復工程中樂山大佛三維模型。

3.4 實景三維模型的意義

樂山大佛屬于世界文化遺產，大佛保護工程實施整個過程以及修復工作完成都需要利用測繪高科技技術， 構建大佛實景三維模型將大佛的容貌永久保存。樂山大佛遺產核心區航空影像數據獲取與樂山大佛的監測預警系統構建為世界文化遺產的保護提供了很好的范例，有非常重大的意義。 樂山大佛的修復前實景三維模型可以給文物修復專家提供文物參考數據，間接幫助專家分析大佛修復前的現狀。 樂山大佛整體受到風化作用等自然因素侵蝕，大佛局部巖石表層剝離處，頸部與右手下部都有巖石破損處，破損嚴重的右腳已用塊石、人工雜土等附加層充填覆蓋。樂山氣候濕潤，大佛身上長著比較茂密的草本植物，從模型上能看到草本植物清晰的紋理信息，草本植物根部會釋放出來酸，酸對砂巖會產生分解作用，修復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種小動物，因此大佛亦受各種病蟲的危害等。

4 結論

應用無人機近景傾斜攝影測量的方案，探索傾斜攝影測量技術如何更好地服務于文物保護工程中。構建樂山大佛的三維模型以及遺產周邊正射影像，實景三維模型最直接展示樂山大佛遺產面貌與現狀，為分析巖體的變性保護工程主體實施提供基礎數據。樂山大佛保護工程及樂山大佛周邊景區旅游安全，需要獲得大佛及周邊環境景觀的基礎地理數據，對樂山大佛保護工程進行監測預警，為保護工程提供最直接的基礎數據。