無人機傾斜攝影在文化遺產土遺址保護中的技術應用研究

摘 要：無人機傾斜攝影技術已在世界文化遺產土遺址保護與監測中被廣泛應用，為遺址的監測、評估和修復提供了更為直觀、精確的數據支持。文章以實際工作案例說明該技術在土遺址長城賦存環境監測與病害測量中所發揮的作用。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；DOM；三維建模；測量

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2024.20.009

長城是中華民族的代表性符號和中華文明的重要象征。中國長城作為世界上體量最大的文化遺產，分布于我國15個省、自治區、直轄市，僅墻體就達21196.18 km，包括43721處遺產，附有眾多的城堡、城池、烽燧等大量遺跡①。使用傳統的人工調查、測量與監測很顯然已經不能滿足當前世界文化遺產土遺址的保護研究工作。隨著科技進步，無人機傾斜攝影技術作為一種新興的地理信息獲取與處理手段，已經在災害監測②、應急測繪③、搶險救災、森林資源監測④等領域有廣泛使用，發揮出了重要的作用。近年來，該技術在我國土遺址長城保護領域也得到了廣泛的關注與應用。該技術在土遺址保護中的應用為遺址的監測、評估和修復提供了更為直觀、精確的數據支持，為土遺址長城保護工作的開展提供了新的技術手段。本文以實際工作案例說明無人機傾斜攝影在土遺址嘉峪關二墩長城賦存環境監測與二墩敵臺病害測量中的技術應用。

1 無人機傾斜攝影技術在土遺址保護中的監測與應用

無人機傾斜攝影測量技術是一種通過使用傾斜角度相機拍攝圖像的方法來進行測量和建模的技術。與傳統的垂直攝影測量技術相比，傾斜攝影測量技術通過增大相機與目標物體的傾斜角度，獲取更多立體信息。傾斜攝影測量技術通常采用特殊設計的航空相機或無人機搭載多個傾斜角度相機，同時采集多個角度的圖像。這些圖像在后續處理過程中通過圖像匹配、三維點云生成和建模軟件來生成高精度的三維模型。

無人機傾斜攝影技術的廣泛應用，有效提高保護巡查效率與病害監測。無人機航攝優點是機動性強、周期短、效率高，能輕松到達高危區域，快速獲取恒定地面分辨率、更小畸變的基礎數據，提高建模的真實性和準確性⑤。

通過外業數據采集、內業應用相關軟件處理，獲得DOM（Document Object Model縮寫，文檔對象模型）正射影像圖和三維模型，放大圖像對比監測賦存環境變化情況，在三維模型中精準測量病害數據，很大程度上提高了工作效率和測量數據的準確性。在實際工作中根據不同項目需求，可預先設計相應的工作流程。

1.1 無人機航攝參數設置

無人機傾斜攝影技術被廣泛應用之后，出現很多有關航攝規劃軟件，根據項目需要設定相應參數，實現無人機自動飛行采集相關區域影像。主要參數有航高、重疊度、航向、云臺俯仰角度、間隔時間或距離拍攝、飛行速度、起飛速度等。這里重點說明兩個重要參數，即航高和重疊度。

1.1.1 航高設置

航高是指攝影瞬間攝影飛機相對于某一所取基準面的高度，按選取的基準面不同可以分為絕對航高（相對于平均海平面的高度）和相對航高。航測前設計的航高為相對航高，它是相對于被攝區域內地面平均高程基準面設計航高的⑥。在實際工作中可根據需求設置航高，達到最佳影像分辨率。

1.1.2 重疊度設置

重疊度就是相鄰兩張照片的重疊部分占整個照片的百分比。航向內同一航線相鄰兩張照片的重疊部分稱為“航向重疊”，相鄰航向的兩條航線相鄰照片的重疊部分稱為“旁向重疊”。無人機在實際航攝作業時，設計航向重疊度一般不低于65%，旁向重疊度一般不低于55%，傾斜航向重疊度和旁向重疊度分別不低于60%和50%，這樣可以避免由于外界環境因素影響導致航拍時出現漏拍的現象。

1.2 無人機外業影像數據采集

本案例使用的無人機型為大疆Inspire2，云臺相機為Zenmuse X5S，它采用4/3英寸CMOS影像傳感器，有效像素為2080萬。Zenmuse X5S配備高精度三軸增穩云臺，控制精度為±0.01°，最大承受風速10 m/s，抗風能力不小于4級⑦，在飛行過程中可以拍出穩定的畫面。

根據保護研究對象、拍攝區域的大小和航攝對象環境細節復雜程度決定要不要進行像控點的布設。范圍小，環境單一，不需要布設像控點；范圍大，環境復雜，為確保模型的精細程度和模型不變形，就需要使用相應設備布設像控點。像控點布設可基于《低空數字航空攝影測量外業規范：CH/Z 3004—2010》⑧操作執行。嘉峪關地處河西走廊中部，長城賦存環境相對單一，賦存環境監測需要的是TIFF格式的高清DOM正射影像圖，只需設置好無人機的航高、相機俯仰角度和重疊度即可滿足需求。對于獨立烽火臺、敵臺等病害測量則需要高精度模型，無人機航攝參數設置就需要注意降低航高，提高照片分辨率，增加航線，提高重疊度，增加照片數量，調整相適應的相機俯仰角度，獲得最佳目標細節影像。在進行外業數據采集時需要注意以下幾點：

①相機質量。決定影像精度的因素是多方面的，相機的焦距、像素、感應器尺寸等都是影響獲取最佳影像的重要參數，同時影像質量的高低決定模型的精度和分辨率。

②影像曝光。影像曝光過度或不足以及影像的重影、散焦與噪點等都嚴重影響三維模型的質量。拍攝前調試好快門、光圈、ISO值等參數。

③運動模糊。出現這個問題有兩方面因素：一是無人機速度過快，二是外界風速過大。作業時為了縮短飛行時間、提高工作效率，就會提高無人機飛行速度，速度過快，曝光點拍攝時無人機飛行姿態不平穩，就會產生照片模糊、影像定位獲取不準確等問題，從而對空三處理中的連接匹配和三維重建中的匹配產生較大影響，最終導致模型精度降低、變形或建模失敗。

④POS系統的準確性。POS也就是無人機曝光位置的經緯度。POS精度影響空三運算的結果，進而影響重建模型的細節和幾何形態，在相機、飛行高度等因素不變的基礎上，高質量的POS能夠輔助還原完整的幾何細節，并提高空三效率。

⑤天氣因素。晴天，影像觀感好，但是會發生過曝和陰影較大，影響空三匹配精度；陰天，觀感一般，但影像顏色均勻，無陰影，匹配質量高；大風天氣，無人機穩定性降低，相機輕微擺動，拍攝瞬間地面物體在攝像機上的投影可能產生位移，像點移動，造成影像模糊⑨。

⑥影像數據質量檢查，對影像模糊、錯位、扭曲、變形等問題進行預處理⑩，這是影響后期成果精度因素之一。影像質量存在問題，最好對相關區域進行補飛，選擇同一機型、同一時段、相同天氣，這是因為時段不同、天氣不同，有可能補采到的影像陰影方向不同、長度不同、亮度不同，導致最終成果出現色差、相鄰影像陰影相反、亮度不均勻等現象。

1.2.1 二墩長城賦存環境監測數據

航線規劃：航線總長度9584 m，航高110 m，重疊度航向80%，旁向70%，鏡頭俯仰角度-90°，分辨率4.8 cm，光圈值f/5，曝光時間1/320，ISO速度100，焦距15 mm，時間23＇48＂，照片數量336張。

1.2.2 二墩敵臺三維建模數據

航線規劃：航線總長度7745 m，航高50 m，重疊度航向85%，旁向75%，傾斜重疊度航向80%，旁向70%，鏡頭俯仰角度-55°，光圈值f/5，曝光時間1/240，ISO速度100，焦距15 mm，時間30＇22＂，照片數量694張。

1.3 內業影像數據處理

對前期外業采集到的數據進行預處理，符合要求后，根據目標需要應用相關專業軟件進行處理，生成所需賦存環境DOM正射影像圖和三維模型。

1.3.1 二墩長城賦存環境影像數據處理

應用Pix4Dmapper軟件，首先對所采集的影像進行預覽檢查，對有扭曲、變形、拉花等現象的圖像進行預處理，待所有影像符合要求后打開軟件創建工程，導入航攝影像，選擇自動識別圖像地理位置信息，在處理選項模板位置選擇3D Maps，此時軟件開始自動處理數據，快速生成一個DOM和DSM預覽圖，預覽的目的是目視檢查初始化處理的質量。如果正攝影像圖是扭曲變形的，那么可能是項目的定位存在問題或者需要控制點來控制精度和方向。如果DSM存在大的裂縫或分塊，有可能是重建時分成了多個區塊或是影像重疊度較低造成的。通過前期預覽圖分析，圖像如果有上述現象，可對該影像相對應的區域進行復飛重新采集影像。

影像初始位置俯視圖，主要是查看影像地理位置。如果俯視圖與飛行計劃不對應，有可能在匹配、方向、比例或地理位置等幾個方面存在問題。檢查影像坐標系和影像坐標是否正確。

影像重疊度如圖1所示，這是校準后正攝影像圖上每個像素重疊影像的數量。紅色區域表示重疊率過低，重疊率過低會導致3D重建成果質量較低。重疊率是決定整體質量的重要參數。對于高質量的3D建模和應用，重疊圖應為綠色，即每個像素至少在5個影像中可見。

1.3.2 二墩敵臺三維建模數據處理

應用ContextCapture軟件。創建工程，導入外業采集影像，提交空中三角測量計算，設置參數，生產項目定義為三維網格，注意在重建項目中空間框架欄目切塊模式選擇規則平面格網切塊，調整瓦片大小，適于電腦配置，提高運算速度。設置好各項參數之后，提交項目，軟件自動處理。生成的三維模型應用ContextCapture Viewer查看工具打開，選擇測量工具就可以做到精準量測病害區的高度（Height，縮寫H）、寬度（Width，縮寫W）、面積、體積和病害區域的周長。敵臺西側病害測量如圖2、圖3所示。病害測量結果如表1所示。

1.4 成果分析

Pix4Dmapper生成TIFF高清DOM圖對長城賦存環境的監測范圍廣，圖像更清晰，效率更高，結果更準確，監測圖放大200%環境中地物地貌細節變化依然清晰可辨，達到對其賦存環境變化監測的目的。

建成高精度的三維模型，對敵臺病害高、寬、面積等數據的測量更為準確，避免了人工測量誤差大帶來的不利因素。長期跟蹤監測，建立數據庫，對病害發育速度和危害程度有一個詳細了解和掌握，為后期維修保養提供詳實數據支持。

2 無人機傾斜攝影技術在土遺址保護與監測中的作用

無人機傾斜攝影、高清衛星影像等高科技技術在土遺址保護中發揮出明顯的效果。首先，無人機不受時間、地域、氣候等影響，可隨時起飛對監測范圍進行全方位照片和視頻拍攝，利用飛控軟件規劃同一航線、同一高度、同一重疊度進行航攝，建立該區域航攝影像數據庫，對該區域多次監測影像進行對比，就能夠及時發現監控地帶的變化情況。其次，通過傾斜攝影技術生成的三維模型可以無限接近真實的長城、敵臺、烽火臺等及其周圍環境的空間三維模型，保存其原有的空間面貌特征，實現科學、高精度和永久的數字化保存，為修復與保護提供準確的第一手資料，即使發生地震、戰爭等破壞活動也能為完成修復、重建等提供重要依據k。

3 結語

無人機傾斜攝影技術在土遺址長城保護與監測中的應用具有重大意義。它為土遺址的監測、評估、修復和展示提供了精確、直觀的數據支持，為我國土遺址長城保護工作的開展提供了新的技術手段。隨著傾斜攝影技術的不斷發展，其在土遺址保護領域的應用將更加廣泛，為我國土遺址的保護事業注入新的活力。

注釋

①k吳國強，楊俊健，徐鵬，等.現代高新技術用于古老長城遺址保護研究中的思考[C]//中國長城學會.遙感技術在長城保護中的應用國際研討會.[出版者不詳]，2014.

②周占成，朱陳明.無人機航攝系統獲取DOM的技術研究[J].測繪標準化，2011，27（3）：16-18.

③雷添杰，李長春，何孝瑩.無人機航空遙感系統在災害應急救援中的應用[J].自然災害學報，2011，20（1）：178-183.

④任艷中，王弟，李鐵濤，等.無人機遙感在森林資源監測中的應用研究進展[J].中國農學通報，2020，36（8）：117-124.

⑤羅衛，李林輝，張林杰，等.無人機仿地傾斜攝影建模精度淺析[J].北京測繪，2023，37（9）：1214-1217.

⑥韓文軍，雷遠華，周學文.無人機航測技術及其在電網工程建設中的應用探討[J].電力勘測設計，2010（3）：62-67.

⑦錢尊巖.低空無人機遙感在油田測量中的關鍵技術應用研究[D].青島：中國石油大學（華東），2012.

⑧國家測繪局.低空數字航空攝影測量外業規范：CH/Z 3004—2010[S].北京：測繪出版社，2010.

⑨田曉程.關于攝影測量精度影響因素探討[J].城市建設理論研究（電子版），2013（18）：1-4.

⑩敖其勇，潘國兵，龔洲，等.無人機斜面貼近攝影測量的三維航線規劃研究[J].時空信息學報，2023，30（4）：500-507.