新型測繪技術在雙槐樹遺址地形圖編繪中的應用

□趙向莉 孫曉飛

雙槐樹遺址位于河南省鞏義市河洛鎮(zhèn)雙槐樹村南邊的高臺地上，是一處距今約5300 年的都邑性聚落遺址，遺址現(xiàn)存東西長約1500 米、南北寬約780 米。經(jīng)考古調查、勘探與發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)有環(huán)壕、夯土基址、墓葬、灰坑、人祭坑、獸骨坑等重要遺跡，并出土了豐富的新石器時代遺物[1]，2021 年4月13 日，雙槐樹遺址入選“2020 年度全國十大考古新發(fā)現(xiàn)”；2021 年10 月18 日，入選全國“百年百大考古發(fā)現(xiàn)”。

為保證雙槐樹遺址重要文化遺存資料的系統(tǒng)性、完整性、全面性、準確性，鄭州市文物考古研究院采用新型測繪技術 （無人機航測技術、 網(wǎng)絡CORSE 系統(tǒng)、三維實景建模和裸眼測圖技術等）獲取遺址本體及周邊環(huán)境的基礎信息數(shù)據(jù)資料，完成該遺址區(qū)域及周邊環(huán)境的航測數(shù)據(jù)獲取、圖像控點測量、實景三維模型創(chuàng)建、正射影像圖制作和1∶2000遺址地形圖采集與編輯。 遺址地形圖范圍以雙槐樹遺址核心區(qū)為中心， 北至沿黃快速通道、南至連霍高速公路、西至工廠圍墻、東至自然溝，方圓約3.2 平方千米。 測區(qū)南部和北部為山地，地形較為復雜；中部區(qū)域在高臺地上，地勢較為平坦，以農田為主，交通較為便利。

一、設備選用

雙槐樹遺址外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要選用安爾康姆MD4-1000 無人機搭載索尼a7相機、華測I80GPS RTK（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）及千尋CORS（連續(xù)運行衛(wèi)星定位）系統(tǒng)， 內業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件主要采用Context Capture（三維實景建模）和EPS 地理信息工作站。安爾康姆MD4-1000 無人機具有穩(wěn)定性強、續(xù)航時間長、可規(guī)劃航線獲取影像等優(yōu)勢，索尼a7 相機獲取影像清晰度高。 通過Context Capture 和EPS 地理信息工作站對外業(yè)數(shù)據(jù)進行處理， 可完成遺址區(qū)域三維模型重建、 正射影像圖制作和遺址地形圖的編繪，具有處理效率高、成果質量佳、易被考古工作者掌握等優(yōu)勢。

二、數(shù)據(jù)采集

1.航線規(guī)劃。依據(jù)雙槐樹遺址1∶2000 地形圖、遺址三維模型和正射影像等成果要求及相關規(guī)范進行航線規(guī)劃， 基于Google Earth （谷歌地球）和MdCockpit 軟件，規(guī)劃航線航高為150 米，旁向重疊率65%，航向重疊率75%，飛行速度8 米/秒，影像獲取時間間隔3 秒，規(guī)劃航線如圖1 所示。

圖1 雙槐樹遺址規(guī)劃航線示意圖

2.數(shù)據(jù)獲取。 數(shù)據(jù)獲取包括遺址航測影像數(shù)據(jù)獲取和控制點測量兩部分內容。 其中遺址航測影像數(shù)據(jù)采集， 依據(jù)圖1 可知飛行時間約需101分鐘。 受無人機電池續(xù)航時間（23 分鐘）限制，在保證飛行器安全和影像質量的前提下， 我們將規(guī)劃總航線優(yōu)化為7 條分航線， 每個架次飛行一條航線。 每個架次飛行結束后， 檢查所采集影像質量、POS 數(shù)據(jù)數(shù)量及飛行器各項參數(shù)，確定信息完整、準確無誤，再執(zhí)行下一條航線飛行任務。 由于該遺址核心區(qū)域處于高臺地上，風相對較大，特別需要關注天氣情況，需在無風或微風、天氣晴朗、陰影少的環(huán)境下執(zhí)行飛行任務。 確保飛行器在視野范圍內作業(yè)， 可借助望遠鏡觀察飛行器飛行姿態(tài)，保證飛行器安全。

控制點測量是航測外業(yè)數(shù)據(jù)采集的重要部分，由于該遺址范圍內以田地、山坡為主，控制點多選在居民區(qū)、 道路等區(qū)域。 控制點測量采用華測I80 GPS RTK、千尋CORS 系統(tǒng)，坐標系統(tǒng)選用國家2000坐標系統(tǒng)，選取道路標志線交點，以臺階、水渠等明顯線狀、面狀地物交點等特征點作為控制點、檢查點，測量其特征點x、y、z。在遺址區(qū)范圍內測量多個控制點數(shù)據(jù)，依據(jù)所測的控制點數(shù)據(jù)，在對應影像進行綜合判讀，選出影像清晰度高、不被障礙物遮擋、利于內業(yè)刺點的5 個點（表1）作為控制點。

表1 控制點一覽表

3.數(shù)據(jù)處理。 把外業(yè)獲取的影像、導出的POS數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)整理至同一文件夾， 編輯POS 數(shù)據(jù)編號與影像編號一致。

基 于 Context Capture 軟件，新建工程（設置英文工程名稱、存儲路徑），導入數(shù)據(jù)（導入影像數(shù)據(jù)、POS 點數(shù)據(jù)）， 導入控制點數(shù)據(jù)，提交空中三角測量創(chuàng)建任務。 導入POS 點和控制點數(shù)據(jù)時需選定WGS84 坐標系統(tǒng)和國家2000 坐標系統(tǒng)（中央經(jīng)線114°）。

為提高空中三角測量創(chuàng)建效率，首先分別基于“use photo positioning metadata for rigid registration”（使用照片定位詳細數(shù)據(jù)進行剛性配準）和“use photo positioning metadata for adjustment”（使用照片定位詳細數(shù)據(jù)進行調整）提交空中三角測量。 在基于POS數(shù)據(jù)創(chuàng)建空中三角測量的基礎上， 分別對導入的5個控制點在對應影像上進行刺點（Shift+左鍵），每個控制點刺4～8 張照片。控制點刺點結束，再基于“use control points for rigid registration”（使用控制點進行剛性配準）及“use control points for adjustment”（使用控制點進行調整） 兩種模式分別提交空中三角測量。兩次空中三角測量創(chuàng)建成功后，所刺控制點標志綠色顯示（圖2），空中三角測量質量報告中顯示控制點精度如圖3 所示， 綠色表示重投影誤差小，精度高，空中三角測量創(chuàng)建成功。

圖2 基于控制點模式創(chuàng)建空中三角測量后控制點標志顯示

圖3 空中三角測量質量報告中控制點精度

依據(jù)空中三角測量質量報告中關于控制點精度、重疊率等參數(shù)可知，空中三角測量成果滿足相關規(guī)范要求，可進入三維模型創(chuàng)建階段。需定義創(chuàng)建產(chǎn)品的相關參數(shù)，基于“3D mesh”模式，設置三維模型數(shù)據(jù)格式為OSGB，瓦片模式為規(guī)則二維網(wǎng)格，選定國家2000 坐標系統(tǒng)。 依據(jù)計算機內存進行單塊瓦片大小設定 （單塊瓦片處理過程中所占計算機內存不超過總內存的2/3），雙槐樹遺址影像數(shù)據(jù)處理所用的戴爾計算機內存是64GB，單塊瓦片設置為300 meters， 單塊瓦片所耗最大內存為32GB， 共分為48 個瓦片， 提交三維模型重建任務。 遺址本體及周邊環(huán)境三維重建共用時大約50個小時，生成雙槐樹遺址三維模型（圖4）成果數(shù)據(jù)。通過Acute3D Viewer 軟件對模型進行全方位、多角度瀏覽，可查詢遺址范圍內任意點、線、面的三維坐標、長度、寬度和面積等。

圖4 雙槐樹遺址三維模型

把雙槐樹遺址三維模型導入Acute3D Viewer進行瀏覽，經(jīng)查閱該遺址模型完整、質量較好。在遺址三維模型基礎上創(chuàng)建遺址的正射影像，新建正射影像產(chǎn)品，定義相應參數(shù)，基于Orthophoto/DSM模式，設置采樣間距0.023 米，設置最大圖像零件尺寸4096 像素為默認值，選擇影像格式tiff，提交正射影像任務。 由于Context Capture 軟件生產(chǎn)的正射影像有多個瓦片數(shù)據(jù)，因此需利用ArcMap 軟件對生成的正射影像分塊數(shù)據(jù)進行合并， 得到一張完整、高分辨率的正射影像圖，如圖5 所示。

圖5 雙槐樹遺址正射影像圖

4.DLG（數(shù)字線劃地圖）數(shù)據(jù)采集與編輯。 雙槐樹遺址外業(yè)數(shù)據(jù)采集，內業(yè)數(shù)據(jù)處理，生成遺址的三維模型、正射影像圖等成果，為遺址大比例尺地形圖編繪提供了基礎信息數(shù)據(jù)的支持。 基于上述成果資料，采用EPS 地理信息工作站系統(tǒng)，完成1∶2000 大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集與編輯。 通過二維、三維交互采集采編一體化，直接對地物進行采集測圖，相對于傳統(tǒng)的立體像對測圖，提高了遺址地形圖成圖效率。

通過“三維測圖”菜單下“OSGB 格式轉換”命令，將模型數(shù)據(jù)OSGB 格式轉換為DSM 格式。 執(zhí)行“加載模型數(shù)據(jù)”“加載超大影像”操作命令，加載DSM 格式的模型數(shù)據(jù)及正射影像到軟件中，形成二維、三維聯(lián)動測圖窗口，如圖6 所示。在二維、三維聯(lián)動窗口內，依據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》等相關規(guī)范，對道路、陡坎、房屋、田埂等地理信息采集與編輯，并通過“提取高程點”命令采集地貌特征點高程點數(shù)據(jù)，依據(jù)高程點數(shù)據(jù)生成等高距為1 米的等高線。依據(jù)影像圖和編繪的地形圖進行實地調繪， 重點對圖形編繪時有疑問的地物、 地形等進行查看，必要時進行實地補測， 再依據(jù)外業(yè)調繪成果資料對地形圖進行更新、整飭，確保地物、地形等信息準確、完整，完成雙槐樹遺址地形圖編繪（圖7）。

圖6 基于EPS 形成二維、三維聯(lián)動測圖

圖7 雙槐樹遺址地形示意圖局部（1:2000）

5.成果數(shù)量及質量情況。 雙槐樹遺址航測面積約3.2 平方千米， 按照規(guī)劃航線共飛行7 個架次， 照片數(shù)量共1726 張。 單張照片分辨率為7360×4912，地物清晰，色調均勻、一致，質量佳。POS 點數(shù)據(jù)完整， 與影像數(shù)據(jù)相對應。 控制點數(shù)量、精度等滿足空中三角測量任務要求，所生成的三維模型、正射影像圖分辨率均滿足1∶2000 遺址地形圖編繪要求。依據(jù)地形圖編繪相關規(guī)范，最終完成雙槐樹遺址1∶2000 地形圖編繪。

三、數(shù)據(jù)處理結果分析

采用GPS RTK 接收機作為精度檢測的儀器設備，雙槐樹遺址選取32 個特征點作為檢查點進行實地測量，根據(jù)實地測量檢查點位置分布情況，選取6個具有代表性的檢查點。基于EPS 地理信息工作站，在三維模型及地形圖上， 獲取6 個特征點的圖上坐標數(shù)據(jù)。 依據(jù)相關規(guī)范，將圖上獲取的檢查點坐標數(shù)據(jù)與實地測量的檢查點坐標數(shù)據(jù)相比較， 得出該檢查點x、y 坐標信息平面位置中誤差，見表2。

表2 檢查點平面位置中誤差

通過對檢查點中誤差進行分析， 依據(jù)CH/Z 3003—2010 《低空數(shù)字航空攝影測量內業(yè)規(guī)范》3.4 精度要求可知， 雙槐樹遺址1∶2000 地形圖精度滿足制圖規(guī)范要求。

依據(jù)雙槐樹遺址控制點刺點時所遇到的問題、 空中三角測量質量報告中關于控制點精度及檢查點精度得知， 控制點與檢查點實地測量時需要注意的事項：首先，設備選用，選擇的GPS RTK設備和網(wǎng)絡CORS 系統(tǒng)應具有信號強、精度高、數(shù)據(jù)鏈穩(wěn)定等優(yōu)勢；其次，特征點選取，應選擇道路標志線拐點、線（面）狀地物的交會點等作為檢查點或控制點進行實地測量， 勿選擇距地表有一定高度的特征點（如房角、機井角等），坐標測量時觀測次數(shù)應設置為10 次以上或時長應設置10 秒以上，確保所測數(shù)據(jù)精度滿足相關規(guī)范要求。

四、成果應用

利用無人機技術、GPS RTK 技術獲取遺址本體、 周邊環(huán)境的影像及測繪數(shù)據(jù)， 通過Context Capture 軟件、EPS 地理信息工作站對數(shù)據(jù)進行處理，生成遺址實景三維模型、正射影像圖、大比例尺地形圖等數(shù)字化信息資料，為田野考古、考古學研究、文化遺產(chǎn)保護規(guī)劃與管理等提供了準確、翔實的基礎信息資料。

雙槐樹遺址三維模型可真實再現(xiàn)考古發(fā)掘現(xiàn)場信息、 逼真顯示遺址本體及周邊地理環(huán)境， 基于Acute 3D Viewer 軟件， 考古領隊可多角度、 全方位瀏覽遺址三維模型。 雙槐樹遺址國家2000坐標系統(tǒng)下的大比例尺地形圖可清晰呈現(xiàn)地物、 地形等地理信息， 圖上任意點的三維坐標，任意距離的長度、寬度， 任意區(qū)域的面積均可直接查詢。

考古領隊可通過遺址三維模型和大比例尺國家2000 坐標系統(tǒng)下的遺址地形圖進行全面、 直觀地查看和綜合分析研究， 更加清晰地掌控遺址本體及周邊地理環(huán)境，更加精準制訂遺址考古調查、勘探、發(fā)掘及研究的實施方案，提高考古發(fā)掘效率、質量。

五、結語

通過對雙槐樹遺址本體及周邊環(huán)境的影像、控制點數(shù)據(jù)進行獲取，對實景三維模型創(chuàng)建、正射影像圖及大比例尺遺址地形圖等成果進行制作可知， 將無人機航測技術、GPS RTK 測繪技術、Context Capture 和EPS 地理信息工作站軟件處理系統(tǒng)等新型測繪技術聯(lián)合應用于遺址地形圖編繪是切實可行的。與傳統(tǒng)航空攝影測量技術、遺址大比例尺地形圖測繪相比， 新型測繪技術具有效率高、精度高、易操作、易掌握等優(yōu)勢，不僅提高了工作效率、 數(shù)據(jù)精度及成果質量等， 同時降低了人力、物力、財力等方面的成本，為遺址數(shù)字化大比例尺地形圖編繪提供了新的技術支持。