傾斜攝影測量技術在大遺址保護中的應用

■ 王萬忠 王光生

大遺址是我們祖先長期從事各類活動的歷史遺存，是人類發展史的見證，它的歷史價值體現在自身所攜帶的歷史信息和對歷史事實的真實展示，綜合并直接體現了中華民族和中華文明的起源與發展，是構成中華五千多年文明史的主體和支撐。大遺址所蘊藏的歷史信息極為豐富，在一定程度上反映當時社會的生產力發展水平、科技水平以及人類創造力等，具有很強的科學文化價值。通過研究大遺址，可以對古代的政治、經濟、文化、外交等方面做出客觀評價。我國歷來重視大遺址保護工作，一直將其作為文物保護的重中之重，但大遺址地域廣闊、布局復雜、信息量大、遺存豐富，具有不可再生的價值和不可替代的地位。

長期以來，大遺址數據獲取主要以傳統測量方式為主，包括人工測量、傳統攝影等，由于地域廣闊、環境復雜等特點，造成數據獲取速度慢、效率低、準確度低等一系列問題，很多數據主要以量測為主，對后續規劃和應用造成很大誤差。本文針對以上問題，結合傾斜攝影測量技術的特點，說明該技術能有效解決當前大遺址保護中數據獲取難度大、精度低等問題。其獲取的DEM、DOM、三維模型等產品可以為后續的保護方式選擇、方案設計、綜合管理等提供思路和數據支撐，并能夠對不同類型的遺址現狀進行數字化保存和歷史性存檔，為以后的大遺址保護及規劃提供科學依據。

一、大遺址保護現狀

大遺址作為中華文明起源和發展的“物化載體”，是我國文化遺產的重要組成部分，也是建設文化強國的重要戰略資源。早在20 世紀中期，我國就開始了對大遺址保護的實踐探索，在最早的《中華人民共和國文物保護法》中就對文化遺址的保護條例做了詳細介紹。20 世紀80 年代，現代考古學家蘇秉琦首次提出“大遺址”的概念；20 世紀90 年代中后期，國家更加重視對大遺址的保護和利用，并提出對大遺址要采取法律形式保護；進入21 世紀后，《中國文物古跡保護準則》《大遺址保護“十三五”專項規劃》等眾多法令相繼頒布，已經將大遺址保護上升為國家戰略。近年來，隨著經濟水平的快速發展和社會民生改善需求的增強，以及當代城鎮化背景下大遺址面臨著各種破壞威脅，大遺址的保護受到國家、各級地方政府、業界、學界以及相關領域的高度重視。經過多年的實踐探索和科學研究，我國在保護理念、保護方式、技術手段和綜合管理等方面都取得了一定的成就。

大遺址的破壞主要包括自然和人為兩個方面。相對于風雨侵蝕等自然因素，人為破壞因素在大遺址保護中產生更大的威脅。隨著我國城市化進程不斷加快，越來越多的大遺址被劃進城市發展圈，導致區域化發展和大遺址保護的矛盾日益增加，保護難度不斷加大。過去大遺址的數據獲取手段主要以傳統測量為主，無法及時制定有針對性的保護對策。例如，之前進行的齊長城保護前期勘察測繪工作就是采用人工卷尺測量、照相機攝影存檔等技術手段，不僅需要大量的人力、物力，還需要很長的工作周期，且傳統測量方式獲取的數據存在不夠全面、精度低等問題。

當前，世界范圍內對于大遺址保護的理念不斷更新，數據獲取手段也在不斷改進。在前期測量工作中，如何在不破壞遺跡本體及周圍環境的前提下，快速高效地獲取制定保護方案、項目實施、綜合管理所需的數據，已成為國內外學者及業界相關人士的研究熱點之一。

二、傾斜攝影測量技術

隨著經濟水平的提升和科學技術的進步，無人機測繪技術也得到了迅速發展。無人機傾斜攝影測量技術相較于傳統三維建模方式，擁有低成本、高機動性、高效率、高精度的優點，彌補了衛星遙感技術等只能獲取正射影像的不足。傾斜攝影測量技術通過多角度獲取被測地物的紋理信息，為三維實景模型的構建提供充足的數據源，使快速自動構建大范圍精細化模型成為可能。因此，傾斜攝影測量技術逐漸成為三維實景建模的重要手段之一，被廣泛應用于國土資源管理、災害評估、工程測量、地籍確權、土地規劃、實景導航等各個領域。

傾斜攝影測量技術是近年來國際遙感領域新興的一項高新技術，自2010 年引入國內后，得到突飛猛進的發展。該技術有效融合了近景攝影測量技術與航空攝影測量技術的優勢，與常規航空攝影測量只能以垂直角度獲取地面信息不同，它是通過在飛行平臺上搭載單個和多個鏡頭相機，以及先進的坐標定位系統，能夠從垂直、前視、后視、左視和右視五個不同角度采集影像及位置信息。通過后期數據處理，可制作生成4D 產品（DEM、DOM、DLG、DRG），并可以借助自動化三維建模技術，快速高效構建出具有準確地物地理信息的真三維空間場景，直觀掌握目標區域內地形地貌與所有建筑物的細節特征，可為后期大遺址保護提供詳細、準確、逼真的基礎地理信息數據。

（一）傾斜攝影測量技術的流程

首先做好飛行前準備工作，包括明確遺址保護要求，確定遺址保護所需的成果類型、精度、規范等信息，如坐標系統、高程系統、數據格式等。在航測前實地考察遺址現場情況，根據現場的實際情況來確定飛行高度、速度等飛行參數，根據精度要求布設控制點，像控點的布設方式和數量會影響建模的精度。然后根據制定好的飛行參數以及航測計劃，尋找合適的起飛點，對遺址區域進行航飛數據獲取。外業航測任務完成后，將影像數據導出進行內業數據處理，運用相應軟件進行空中三角測量，通常運用光束法區域網聯合平差，將控制點數據與影像的POS 數據作為外方位元素的初始值進行聯合平差，實現多視角影像空三解算。利用畸變改正后的影像數據結合空三加密成果，通過多視影像密集匹配技術生成密集點云，然后基于點云構建不規則三角網，最后通過紋理映射實現三維模型的構建。

（二）傾斜攝影測量技術在大遺址保護中的優勢

傾斜攝影測量技術在大遺址保護中具有很大的優勢，主要表現在三個方面。一是反映遺址真實情況并能夠對遺址內地物進行測量。傾斜攝影測量所獲取的三維數據可以真實反映遺址內地物的位置、高度、面積等屬性，增強了三維數據所帶來的真實感，很大程度上彌補了人工模型仿真度低的缺點，有效解決了三維數據的精度問題。二是性價比高。在傳統的三維建模過程中，一旦出現數據錯誤，可能導致整個建模項目作廢，而傾斜攝影測量技術大大減少了人為干預，很好地規避了這一缺陷；并且，通過該技術獲取的影像通過后期處理能夠同時輸出DSM、DOM、DLG等多種數據成果，可為大遺址保護提供豐富、有效的數據支撐，有效降低了大遺址測繪中數據獲取的成本。三是高效率。在傾斜攝影測量過程中，無人機代替飛行平臺，技術人員可根據不同情況合理調節運動軌跡，利用軟件進行數據處理，生成相關的三維成果，減少人工投入，節約測量時間。實驗數據證明：一個中小型遺址的測量過程運用人工手段需要一兩個月，而借助傾斜攝影測量技術只需要3 到5 天就能完成。

以傾斜攝影測量技術在齊長城遺址保護中的應用為例。齊長城遺址橫亙于山東省境內，全長641.3 公里，其建筑特點是就地取材，走向隨地形及地貌的變化而變化，其中泰山段更是地形復雜。由于地勢險要、地形起伏大等原因，采用人工測量的方式很難完成該段齊長城的前期數據獲取，因此采用傾斜攝影測量方式。但由于其特殊的地形條件，無人機航測也面臨巨大的挑戰。為了保證設備安全，并獲取精確數據，本項目采用防地飛行的方式獲取數據。通過后期數據處理，獲取了齊長城的三維模型、三維點云、數字正射影像圖、等高線等一系列衍生產品。通過這種方式可以實現對于整個齊長城的完整數據采集，避免人工測量的數據遺漏問題，提高了數據采集的精度，大大縮減了前期采集數據的時間，并且，獲取的數字化成果可以更好地為后期保護規劃方案提供有力的數據支撐。

三、產品及應用

大遺址保護是一項十分復雜的工程，不同地區、不同類型的大遺址存在不同的破壞類型，不可能制定統一的保護方案，而應根據遺址的具體情況采取相應措施。齊長城遺址泰安段由于其特殊的地理條件，利用傾斜攝影測量技術對其進行航測獲取影像數據，通過數據處理衍生出一系列數字產品——三維模型、DOM、DEM、DLG 等，有效解決了人工獲取數據難而導致的基礎資料不足的問題，為齊長城遺址保護提供了有力的數據支撐和科學依據。

三維模型具有高精度、高分辨率、高清晰度等特點，可精確反映整個齊長城遺址的分布狀況及周圍環境狀況，并能根據精確的坐標量測位置、距離、面積、體積等信息；在后期保護方案設計中，能充分體現遺址與環境保護的完整性和真實性；還可實現模型編輯，對保護方案進行VR 模擬，避免保護措施實施后達不到保護要求等問題，充分體現了“保護為主”“少干預”“可逆性”等文物理念與原則。

數字正射影像圖（DOM）具有精度高、信息豐富、直觀逼真等特點，能夠為前期的大遺址現狀調查提供大量信息，可以直接反映許多問題。同時，利用數字正射影像圖作為規劃底圖，使規劃內容和周邊環境的關系更加清晰，在齊長城遺址保護的前期規劃設計中發揮著重要作用。

數字高程模型（DEM）反映的是地形高低起伏（高程）信息，能夠便捷地將其轉換為等高線、透視圖、斷面圖、坡度圖等相關產品，對輔助判讀大遺址的空間形態和結構特征具有明顯優勢。由于齊長城遺址主要依山建立，齊長城本體周邊有大量的植被，通過其相關產品分析，有效避免了建筑、植被、水體等因素對地形的影響。齊長城遺址的保護與周圍環境緊密相聯，首先應考慮流水問題，尤其是地形復雜受到河湖及洪水威脅時，根據DEM 提供的齊長城遺址規模及精確的高程信息，可因地制宜地制定出合理的治水方案。

數字線劃地圖（DLG）是將一種或多種地圖要素進行矢量化而形成的一種數據文件。其數據量小，便于分層，能夠快速生成專題地圖，因此也被稱為數字矢量專題信息。齊長城遺址保護中所需的總平面圖就是數字線劃圖，通過人工測量獲取需要大量的人力、物力、時間等，利用航測三維模型進行數字化采集獲取總平面圖，則大大縮短了時間、降低了成本，并且在一些地形復雜、人工難以量測的遺址測量中發揮更大的作用。

結語

任何一個行業和領域的發展都離不開科學和實踐的推動，大遺址保護也不例外。嚴格來講，隨著測繪技術在文物保護領域的不斷發展，文物數字化逐漸成為文物保護工作中的研究熱點，而將傾斜攝影測量技術應用到大遺址的保護更具創新性和先進性。利用該技術，可有效提高數據的準確性和全面性，尤其是在建筑復雜、地質惡劣和交叉跨越設施復雜的地區；還可獲得地形圖、精細三維模型、數字高程模型、數字正射影像圖等一系列測繪成果，為大遺址的保護和修繕工作提供了豐富、精確的數據支撐。此外，三維模型能夠通過數字化展示平臺，實現面向用戶的交互式展示，對實現文物資源共享、傳播古老文明、展示優秀歷史文化具有極其重要的意義。