貼近攝影測量在文物保護中的運用
——以廣西寧明花山巖畫為例

● 羅 飛

（廣西自然資源遙感院，廣西 南寧 530023）

文物是人類在社會活動中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡，是人類寶貴的歷史文化遺產。文物的數字化對文物的保護具有重要的歷史和現實意義，可以拉近人們對文物的了解和欣賞的距離，也是走向公眾參與教育和價值觀建構、走向世界參與文明互鑒的基礎[1]。然而巖畫、洞窟等大型戶外文物數字化的實現是困難的，一方面受限于空間障礙，另一方面受限于數字采集技術。

近年來，隨著無人機技術的高速發展，為實現大型戶外文物數字化提供了技術支持。無人機有2 項技術：一項是云臺姿態控制技術。云臺安裝的攝像機可用于基于視覺的小型無人機目標跟蹤與定位，分析無人機平移和旋轉運動對目標在圖像平面成像的影響，推導機體角速度與云臺姿態角速度轉換矩陣，設計基于運動補償的云臺控制器將無人機速度和機體角速度引入云臺控制器輸入，補償因無人機運動引起的攝像機視線改變，并利用目標在圖像平面的位置偏差修正攝像機跟蹤誤差。仿真實驗表明，所設計的云臺控制器可提高目標跟蹤精度，減少云臺抖動[2]。另一項是航測高精度定位技術，即RTK測量技術。RTK（real time kinematic）測量系統由3 部分組成，即GPS 接收設備、數據傳輸系統和實施動態測量的軟件系統。RTK測量技術以載波相位觀測量為根據，它能夠實時獲得測站點在指定坐標系中的三維定位結果，且具有厘米級的定位精度[3]。無人機的這2 項技術又衍生了新的攝影測量技術?貼近攝影測量。

貼近攝影測量是由武漢大學遙感信息工程學院張祖勛院士于2019 年提出。貼近攝影測量被稱之為區別于垂直航空攝影測量、傾斜攝影測量的第三種攝影測量方式。貼近攝影測量利用拍攝設備貼近物體表面攝影，獲取（亞厘米級）高清影像，并進行攝影測量處理，從而恢復被攝對象的精確坐標和精細形狀結構來重建精細三維模型，彌補了其他攝影測量無法達到的精度要求[4?5]。

花山巖畫地處廣西崇左市寧明縣左江明江河段。遺產區面積6621hm2，已有2000 多年歷史。巖畫地點分布廣、作畫難度大、畫面雄偉壯觀，為國內外罕見，具有很強的藝術價值和重要的考古科研價值。筆者運用貼近攝影測量技術來實現花山巖畫的數字化。

1 設備配備

1.1 硬件設備

拍攝所備的硬件設備：大疆經緯M3OOR+禪思P1 航測相機1 套、精靈Phantom4RTK1 套。這2 款大疆無人機具有飛控穩定、功能強大、RTK定位精確等優勢。同時，為及時處理現場數據，筆者還配備了2 臺高性能的移動PC 工作站。

1.2 軟件應用

此次拍攝所采用的軟件有大疆智圖和航跡大師（WayPointMaster）。大疆智圖是一款提供自主航線規劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應用軟件，可一站式幫助用戶全面提升航測內外業效率，將真實場景轉化為數字資產。

航跡大師（WayPointMaster）是一款針對大疆無人機傾斜攝影測量的專業級航線定制軟件，特有的交叉如環繞航線、仿地航線、仿面航線、變坡航線、立面航線、Lidar 航線、電力航線等可以滿足多種場景需求。

2 技術難點分析

作業區域的崖面臨江而立，崖體呈南北弧形內凹狀，寬250m，高150m。巖畫大致分布于離江面高8～35m 的白色巖體表面。江邊不規則分布竹叢及高7～8m 的雜樹，懸崖上有灌木和草叢，航飛條件復雜。高聳內凹的垂直崖面對無人機PGS 信號的接收影響大，有可能造成無人機接收不到衛星信號導致無人機失控撞崖炸機的風險。為了安全有效地實施貼近攝影測量，作業前必須先規劃一組常規的航線來獲取準確的地形數據?粗模。

3 航測數據獲取及數據處理

3.1 粗模獲取

粗模是貼近攝影測量航線規劃必備的重要條件。從收集到的資料分析可知，作業區域的江面到山頂的垂直落差約240m，因此筆者使用精靈Phantom4RTK 設置了一個350m 航高的建圖航拍工程，航向和旁向重疊度設為80%（見圖1）。

圖1 常規航線規劃圖

建圖航拍需飛行10min，5 條航線共獲取正射照片57 張。航飛完成即可用移動PC 工作站現場處理數據，生成DSM 地表模型數據、DOM 正射影像及實景三維粗模（見圖2）。

圖2 粗模成果圖

3.2 精細航線規劃

此次精細航線規劃使用航跡大師（WayPointMaster）軟件進行規劃。為了更真實地展示花山巖畫，筆者重建的模型分辨率為1mm，選用大疆經緯M3OOR+禪思P1 航測相機（4500 萬像素）離崖面8m 等距拍攝。為了確保航飛安全又能實現模型分辨率的計劃要求，筆者在現場進行了航線探測，對關鍵的危險航點逐一精確手控飛行探測。所有的關鍵點均能正常且穩定地接收到衛星信號，在消除其他的飛行安全隱患后進行航線規劃。

此次精細航線規劃設置相機鏡頭俯仰角為?5°，其目的是讓相機的曝光更準確，如果相機0°拍攝白色崖面容易造成圖像過曝，損失細節的紋理，而將相機以?5°微俯拍攝到的畫面細節更豐富，色彩也更加飽和。航跡大師（Way-PointMaster）自動規劃航線會根據崖面的凹凸情況計算出每個航點的準確距離，以及根據設計的航向和傍向重疊度準確地計算出曝光的時間點。大疆M300RTK 無人機掛載4500 萬像素的禪思P1 航測相機在距離崖面8m 的正前方做自上而下的弓形自主飛行，逐幀對精美的巖畫做全覆蓋拍攝。規劃的自動航線上窄下寬的形態完全適配崖面貼近飛行，總共設計53 條航線，1012 個航點。航線速度設為1m/s。

3.3 貼近航線飛行及手動補拍

（1）貼近航線飛行。經緯M300RTK 遙控器理論上可以實現999 個航點導入，為了減少遙控器的運算載荷，航跡大師（WayPointMaster）自動將航線規劃成7 個航線任務來完成。航線依次自上到下來執行，導出的任務文件加載到無人機遙控器便可以進行一鍵式智能自主飛行。面對復雜的飛行環境，在航線飛行過程中必須做好發生各種意外的準備。

（2）手動補拍。此次作業受限于江邊的樹木，為確保飛行安全，必須避開樹木等障礙物，因此手動補拍是必須進行的工作。此次手動補拍采用飛手+觀察員雙人組合的方式進行。飛手在觀察員的安全指引下沿崖面謹慎飛行補拍。

經過2 天的飛行，此次共采集照片3000 余張，基本實現崖面多角度多方位全覆蓋。

3.4 數據處理

采集到的各種數據經空三計算1h 左右完成，空三成果完整，模型生成12h 完成。生成模型的水面有漏洞和凹陷的問題，因此要進行模型修補和水面置平。

3.5 三維實景應用分析

此次三維重建一次通過。質量報告顯示模型分辨率為1.12mm，和航線設計的要求基本一致。整個崖面的模型完整，沒有凹陷、空洞等問題，崖面影像曝光準確、光亮適中，巖畫色彩豐富細膩，巖石表面細小裂縫清晰可見（見圖3、圖4）。

圖3 巖石剝落多角度圖

圖4 “駱越之王”圖

此次運用貼近攝影測量技術對寧明花山巖畫進行三維數字化，是大型戶外文物數字化的一個全新嘗試，也是目前為止對花山巖畫三維數字化分辨率最高、采集面積最大、崖面結構最完整的一次。此次完成的超精細實景三維模型對文物的鑒賞及保護有重要的意義。

4 結語

未來貼近攝影測量將廣泛地用于文物數字化及文物保護領域。華夏幾千年的文明在美麗的山川大地上留下許許多多珍貴遺跡，這是人類共同的財產，需要大家共同去保護。貼近攝影測量在諸如巖畫、摩崖石刻、佛窟、古寺、古塔等大型的歷史遺跡進行三維數字化過程中發揮著重要的作用。

貼近攝影測量在其他領域也有廣泛的需求，如建筑施工、橋梁檢測、水壩裂隙排查及電力行業。貼近攝影測量還存在一些不足，如受天氣的影響較大、技術含量高等，無人機飛手需要具備良好的飛行操控能力，航線的規劃也需要進行專業的分析。