无人机倾斜摄影测量技术在文物保护工程的应用

无人机倾斜摄影测量技术在文物保护工程的应用

谢妍 汪泽

西安市古代建筑工程公司

摘要：随着科学技术的发展，三维建模技术应运而生。建立古建筑的实景三维模型，全方位还原古建筑纹理，对文物保护、建立文物档案有着非常重要的意义。常用的传统建模方式主要有人工建模方法、三维扫描建模方法、摄影测量建模方法。摄影测量建模比传统的人工建模和三维扫描建模作业效率更高，首先通过对多视角照片进行密集匹配，建立三角网模型，然后进行纹理映射，可以快速获得三维实景模型。

关键词：无人机倾斜摄影；测量技术；文物保护；修复工程；应用

引言

无人机倾斜摄影测量技术作为一种新兴的技术方法，在三维建模和工程测量中有着广泛的运用前景。无人机倾斜摄影技术数据采集范围大、效率高，但由于无人机据文物拍摄距离较远、存在阴影、建筑自身结构相互遮挡等很难精细、完整还原文物的三维数据信息。相机以其拍摄角度自由、操作灵活能对无人机影像提供有效补充。

1倾斜摄影测量技术

无人机技术的发展迅速，尤其近几年飞行控制系统不断成熟，无人机的稳定性、安全性逐渐达到了行业级应用水准，使得无人机摄影测量应用于各个领域。传统的倾斜摄影测量需采用大飞机载荷，飞行成本高，耗时长。无人机倾斜摄影测量技术打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，利用多视角倾斜数码相机或者单镜头旋转相机，在不同角度上对目标物获取不同角度的影像，具有丰富的纹理信息数据，生成密集三维点云和TIN格网模型，自动化实景建模模型，实现三维场景的快速、高效、低成本的真实还原，将人们带入符合人眼视觉的真实直观世界。无人倾斜摄影测量技术可以快速精确地采集古建筑的几何信息，快速得到古建筑的点云数据，具有减少了传统测量工作量，所得数据的精准度较高，实用性强等优点。所得点云数据建立BIM模型，可以记录并管理建筑信息，为将来古建筑的修复保存了最原始的数据。随着目前古建筑档案保护系统日趋完善，更需要三维扫描、无人机倾斜摄影的点云数据记录古建筑的损伤缺损信息，为古建筑的保护和修缮提供最有效的数据记录。

2无人机倾斜摄影测量技术优势

突破了传统航测单相机只能从垂直角度拍摄获取正射影像的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台影像传感器，同时从垂直、倾斜多个不同角度采集带有空间信息的真实影像，以获取更加全面的地物纹理细节，更加真实地反映地物的实际情况，并可以利用提取及贴纹理的方式，降低三维建模的成本。节约人力、效率高，能极大地缩短测绘外业的协同工作，解决了由于天气等外因造成的工作延误，把原本大量的外业工作转变成内业工作，极大地缩短了测量人员的劳动时间，降低了外业劳动强度。

3古文物数字化的国内外研究现状

世界各国的文化遗址体现了各国历史、文化与信仰，文化遗址是不可再生资源，古文化遗址的研究与考古学、美术史以及宗教研究相互联系、相互渗透，对弘扬与发展文化遗传有重大意义。早在1984年9月宋德闻等人对陕西彬县大佛寺石窟地进行了近景摄影测量工作。近景摄影测量技术主要采集体积小的文物影像数据进行三维建模，大场景下的局部影像信息辅助研究文物各方面检测。三维激光扫描技术采用主动成像方式获取单体文物或小场景遗址的精非接触几何数据完成单体文物高精度三维重建。国外最早知名项目是2003年美国的米开朗基罗数字化项目，扫描大卫雕像模型结合高分辨率照片进行三维建模。对于纹理特征丰富的不可移动石窟文物和大场景古遗址的三维模型的构建，无人机倾斜摄影测量技术具有很强的优势，能快速、高效、低成本建立实景三维模型，实际应用价值非常大。因此，基于倾斜摄影测量的石窟文物的三维建模应用研究有非常大意义。

4无人机倾斜摄影测量技术在文物保护修复工程的应用

4.1无人机倾斜摄影技术的数据采集

利用无人机进行数据采集，可以快速完成古建筑表面数据点的采集，获得三维坐标点云数据并存储在计算机中。无人机的运行过程和规划如下：（1）设计航路前，在地形图上圈出测区主要建筑物和地面采样距离；（2）计算确定满足要求的航拍技术参数；（3）制定飞行计划，综合设计无人机的飞行方式，满足内部处理的要求；（4）参考现场调查观察，完善飞行计划，按计划飞行。例如在秦岭深处的长安圣寿寺塔维修工程，可以利用无人机倾斜摄影技术进行数据采集，省去了人工相机拍摄，可以增加数据的准备性，同时减少了人工拍摄的危险性。

4.2坡面的无人机航线设计

一般的文物所在位置分布范围大、地形复杂，甚至一部分在山的崖壁上，高陡险峻的景点坡面。考虑到对于高陡险峻的景点坡面，三维激光无法开展扫描，采用无人机对坡面开展倾斜摄影，无人机从坡脚开始，与坡面平行，摄像机机头方向面向坡面，从坡面的一侧向另一侧横向飞行，在交替上升进行拍摄。相机角度为90°（与坡面垂直），离坡面距离（10-30m）。提前进行地形勘察，做好无人机的航线设计，降低无人机拍摄的危险，提高拍摄效率。

4.3数据采集

手动控制无人机飞行获取的影像数据包含各个角度的倾斜影像和竖直影像，影像自带POS数据，以文物本体上的特征点作为像控制点，用全站仪测量像控点的坐标。使用Context Capture三维建模软件进行建模，导入影像数据、控制点影像关联与控制点的刺设、提交空中三角测量任务，空中三角测量任务完成生成空三质量报告。在长安圣寿寺塔维修工程中，因施工较早，前期无人机技术未能介入，仅采用了相机对施工过程进行了记录，塔体数据缺乏直观性、完整性。时至今日无人机技术的广泛应用，对地处秦岭深处的圣寿寺塔的数据采集无疑是最有效、最省力的技术手段。自塔尖至塔底，无人机全方位、多角度的记录了塔体现状，不仅是对塔体保护维修效果的一种直面反馈，更是为若干年后的塔体变化及保护提供了最有效的数据。

4.4点云数据的预处理

采用RISCANPRO控制软件进行点云数据处理，手工选择清除拼接后的点云数据的误差数据。主要工作包括删除测区外点和明显噪声点。这个过程就是点云数据的过滤。三维激光扫描技术和无人机倾斜摄影技术可以在短时间内快速获取测量目标的海量点云数据。海量的点云数据一方面可以详细描述目标的特征，另一方面也给数据处理带来了困难，不同站点的点云数据配准后，重叠区域往往会出现大量重复的点云数据，导致计算机运行、存储和传输效率低下，因此，有必要对数据进行简化，使简化后的数据不仅保留了物体表面的有用信息，而且大大减少了数据量，从而实现高效的数据处理数据缩减主要包括重复数据消除和数据简化为了使不同测站不同密度的冗余点云数据融为一体，使用RISCANPRO软件的“Cleandata”功能，消除点云数据中的冗余数据，大大减少了点云数据的数量。

结束语

基于无人机近景摄影测量，提出了一种自主飞行结合手动多高度多角度拍照的古建筑三维建模方法，是对古建筑三维建模技术的有力补充，拓宽了无人机近景摄影在古建筑上的应用。与传统的手工建模和基于三维激光扫描建模方法相比，无人机在空中多高度多角度拍摄，解决了传统测量仪器和三维激光扫描仪对建筑物扫描不完整的问题，建模效率更高；同时，在地面布设控制点，获得古建筑上各个特征点的三维坐标，为近景摄影在古建筑物变形监测方面提供新的思路。

参考文献

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