近景摄影测量在文物保护中的应用杨洋

近景摄影测量在文物保护中的应用杨洋

杨洋何文波李旭洋

国家测绘地理信息局第一地形测量队陕西西安710054

摘要：近年来，摄影测量技术的迅速发展，在高精度三维测量和变形监测等领域得到了广泛地应用。该技术具有监测成本低、获取速度快等优点，通过对地物进行多角度拍摄，可获取同一地物的多幅倾斜影像。倾斜摄影在智慧城市建设中的应用已经相对成熟，在文物考古、修复中由于文物本身具有的特殊性，对倾斜摄影提出了更高的要求。基于此，文章探讨分析了近景摄影测量在文物保护中的应用，以供参考。

关键词：近景摄影测量；文物保护；应用

1古建筑测绘的类型与范围

古建筑测绘的类型有传统测绘和现代数字测绘。传统测绘是指基于“尺寸”为基础的相对测绘，使用的工具主要是各种尺子，它测量的是建筑物的长、宽、高等数值，测量工作由一幢一幢建筑开展。现代数字测绘是基于数字测量仪器的测绘方法，可以测量建筑的绝对空间地理坐标，使用的仪器有全站仪、数码相机、三维激光扫描，利用的技术有三维近景摄影测量、基于三维激光扫描的三维仿真等，它可以实现一次测量覆盖大片区域，工作效率和成果美观度大大高于传统测绘。

2传统古建筑测量与拍摄的工具

传统测绘古建筑的工具主要有：皮尺、钢卷尺、软尺、卡尺、垂球、高凳、架木、梯子、白纸、直杆和坐标纸、铅笔等。现代数字测绘古建筑的工具主要有：全站仪、数码相机、三维激光扫描仪、无人机等。

3近景摄影测量在文物保护中的应用

3.1工程概况

茶胶寺是十一世纪初由高棉帝国国王阇耶跋摩五世建造的印度教寺院，是吴哥遗址中最为雄伟且具有典型特征的庙山建筑之一，代表了公元十世纪末至十一世纪初吴哥庙山建筑发展的一个历史节点。2007年以来，受国家文物局委托，作为中国政府援助柬埔寨吴哥古迹保护修复工程的执行机构，中国文化遗产研究院参与选定茶胶寺作为援柬二期项目，并在国家文物局的具体指导下，对茶胶寺庙进行了系统的、有针对性的勘测和研究，踏上了继周萨神庙保护修复完成后的又一征程。至2016年，经过十多年的维修，完成了柬埔寨茶胶寺遗址的维修和加固工作，获得了柬埔寨吴哥古迹管理局与联合国教科文组织的高度肯定。

3.2方案设计

茶胶寺修复完成后，相关文物专家需要一套能真实反映遗产现状的数据资料，用以分析和研究遗产修复后情况，为以后文化遗产的保护、管理提供基础信息数据支撑。因此对茶胶寺三维实景模型的精细度提出了较高的要求。为了解决大场景实景三维模型与重要建筑物实景三维模型对模型精细度要求不同这一难题，针对项目需求，优化项目设计方案，尝试采用倾斜摄影＋立体环飞航拍的技术方案，获取遗址区航空影像数据，最后将两种数据融合建立遗产地实景三维模型数据，既保证了遗产区域大范围实景三维模型效果，同时也保证了重要遗址三维模型的精细度。

3.2.1倾斜航空摄影

（1）摄影分区划分

由于试验区面积较小，适合采用无人机进行航空摄影，根据遗产范围，每个方向外扩200米进行摄影分区划分，本项目设计为一个摄影分区。

（2）摄影航高确定

根据项目需求，此次航空摄影获取的影像用于制作成图比例尺为1∶500比例尺的正射影像图，影像的地面分辨率（GSD）应满足内、外业测图规范要求。数字航空摄影的地面分辨率（GSD）取决于飞行高度，考虑到该测区相对高差大，为保证成图精度要求，本次航摄影像的平均地面分辨率按0.04ｍ进行设计，飞行航高设定为150米。

式中：ｈ—飞行高度；ｆ—镜头焦距；ａ—像元尺寸（1.39μｍ）；GSD—地面分辨率。

（3）航飞重叠度设置

为了保证实景三维模型的效果，本次倾斜航空摄影航向重叠度设计为80％，旁向重叠度应为80％。

（4）无人机倾斜航空摄影

本次倾斜航空摄影数据的获取采用精灵4Phantom无人机进行。根据设计要求，获取了遗产区下视、左下视30度、右下视30度、前下视30度、后下视30度等五个视角的航空影像数据。五镜头数据按照前视、后视、左视、右视、下视分别存放，各文件夹内影像数量一致。

3.2.2立体环飞航空摄影

由于项目对遗产区重要遗址的精细度要求较高，为了使三维模型效果更加真实、精细，航空摄影时，除了常规倾斜摄影外，对重要的遗址进行近景立体环形航空摄影，设计竖直与环形交叉航线，使用无人机全方位获取遗址航空影像数据。

（1）竖直航线设计

竖直航线设计主要是获取遗址竖直方向上的近景航空影像数据，分别获取每个塔的东、南、西、北、东北、西北、西南、东南等8个方向的竖直航空影像数据。

（2）环形航线设计

环形航线设计主要是以建筑物为中心，按照不同的高度设置环形航线，采用无人机获取建筑物各个方位的航空影像数据。与竖直摄影形成交叉的网状结构，立体式的360度获取建筑物影像数据。

3.2.3数据处理

航空影像数据处理主要在第三方软件Ｓｍａｒｔ3Ｄ里进行。将带有坐标信息的倾斜航空影像数据与立体环形航空影像数据导入数据处理软件，进行混合空三加密，优化影像外方位元素，之后对两组影像进行密集匹配，制作高精度的遗产区三维模型，并对模型进行纹理映射，形成遗产区三维实景模型数据成果、正射影像成果、立面正射影像成果以及其他数字化成果。

倾斜摄影＋立体环飞航拍混合空三加密与匹配的数据处理方式，可以快速的构建大范围的实景三维模型成果，同时也保证了重要遗产三维模型的精细程度，满足了项目的需求，达到了快速构建实景三维模型的效果。

3.2.4数据成果

数据处理完成后，根据项目要求，制作遗产区多维基础地理信息数据成果，主要成果包括：1）遗产区实景三维成果；2）遗产区正射影像成果；3）遗址立面正射影像图成果；4）遗产立面数字化成果。

结语:（1）探索了倾斜摄影技术在文物行业的应用模式。从以往项目经验看，无论是三维激光扫描或者是单纯的倾斜摄影测量均不能完全满足文物保护、分析对三维模型精细度的要求。为了解决这一难题，项目组采用了倾斜摄影测量与近景摄影测量相结合的方式，获取遗址区航空影像数据，最后将两种数据融合建立遗产地实景三维模型数据，既保证了遗产区域大范围实景三维模型效果，同时也保证了重要遗址三维模型的精细度，探索了倾斜摄影测量技术在文物行业的应用模式。

（2）实现文化遗产的数字化保护。提高文化遗产保护的安全性，从理论上说，不论我们怎么保护，随着岁月的流逝，文化遗产还是会被损坏或者遗失。通过对文物的数字化，为文化遗产信息的保护、管理、文物病害分析等提供数据支撑，可以安全和长久地保存弥足珍贵的文化遗产。

（3）搭建多维文化遗产基础地理信息数据库。在文物保护和重建过程中，构建文物的三维模型是一项基础性工作，精确的文物数字模型能够记录文物的原始三维信息和纹理信息，从而为文物的三维重建、保护、展示、修缮等工作提供重要的数据和模型支持。通过本项目的实施，获取了吴哥窟茶胶寺航空遥感影像、三维点云数据等多维文化遗产信息数据，为文化遗产保护工作的优化提供可能，建立文化遗产多源、多时态、多尺度、多类型的地理数据顺应了未来对文化遗产保护基础数据需求。

参考文献

[1]柯涛，张祖勋，张剑清.旋转多基线数字近景摄影测量[J].武汉大学学报（信息科学版），2009（1）：44-47.

[2]刘昌华，王成龙，李峰，等.数字近景摄影测量在山地矿区变形监测中的应用[J].测绘科学，2009（4）：197-199.