激光點云與正射影像融合在數字考古中的應用

陳年青，孫灝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

文物遺址是獲取考古研究資料的第一場所，遺址的空間布局、位置形態等通常都遵循了一定的社會規范，因此在考古發掘過程中對遺址進行精確完整的時空數據記錄是考古研究分析的重要先決條件[1，2]。傳統考古測繪方法通常是基于人工量測和手繪圖件，輔以一定的文字記錄和影像留存，其分析記錄結果通常與學者的個人經驗、能力密切相關，考古分析推理缺乏有力的數據支撐，自動化程度低，科學準確性不足，且難以應對長期、動態、多時序的數字考古需求[3，4]。隨著三維空間測繪技術的發展，基于激光掃描和攝影測量技術已可精確高效地進行空間數據采集，進而構建出考古遺址的三維模型，基于此就可對考古遺址進行時空分析研究，這為考古文化特征的揭示提供了重要基礎[5，6]。對此一些學者進行了相關的研究，萬銘[7]等利用空地一體化影像建模技術重建出考古發掘現場的實景三維模型，為數字考古提供了全要素的空間基礎數據。孫保燕[8]等研究航攝影像與地面照片自動融合的三維建模方法，為考古研究提供了高精度的三維基礎數據。鄭曉敏[9]等基于地面三維激光掃描技術對古墓葬群進行三維掃描，為考古遺址的保護、修繕和重建提供了高精度、完整的空間數據信息。沈姜威[10]等研究了多源異構時空數據的融合及其建模方法，進而構建出了古遺址的三維場景模型。然而當前研究多是集中在三維數據的處理和分析，缺少對于二維影像和三維模型的融合處理研究，未充分利用二維影像豐富的紋理色彩價值，這對于考古遺址的定量和定性分析會產生一定的影響。

本文以南京市西營村南朝佛寺遺址為研究對象，利用機載激光點云與無人機正射影像進行配準融合，構建出了考古現場的三維實景模型，分別介紹了數據的采集方案和融合應用方法，并對融合模型進行定性和定量的分析，從而為相關的數字考古研究提供三維空間基礎數據。

2 數據采集方案

機載激光雷達(LIDAR)是近年來發展起來的一項高新技術，其利用高頻率發射的激光脈沖信號獲取物體表面的三維密集點云，具有采集效率快、測量精度高等特點，廣泛應用于城市規劃、三維建模、考古研究等領域。激光雷達作為一種主動式的遙感技術，其受環境條件的影響較小，能夠穿透密林植被等復雜區域，大大提高了空間數據的獲取效率，同時也為地表植被等要素覆蓋下的文化遺跡的揭露提供了途徑。激光雷達是一種高度集成了激光掃描系統、全球定位系統和慣性導航系統三種技術于一體的系統，其在作業時沿著預設路徑飛行的同時向目標發射激光束，同時接收器會對從目標反射回來的激光進行檢測和分析，以此計算傳感器與目標之間的距離，結合距離值和位置信息就可解算出對象的三維空間坐標。在作業過程中，飛行器向前飛行的同時加上激光掃描儀的線性掃描，就形成了對地表一定寬度的二維點云覆蓋，最后經過數據的聯合解算，就可解算出測區的三維激光點云。

無人機正射影像(DOM)是基于飛行器搭載垂直下視相機經過正射投影拍攝的影像數據，具有可靠的平面精度，同時兼具影像的視覺特征。隨著輕小型無人機技術的快速發展，搭載單鏡頭的輕小型無人機在正射影像的采集效率和處理精度方面得到了飛躍式的發展，已成為傳統航空攝影測量的有效補充，且高空間分辨率的正射影像為地物識別和分析提供了科學的依據。

激光點云與正射影像各自的優缺點都很明顯，激光點云具有精確的三維空間坐標信息，還擁有多次回波數據和反射強度信息，然而點云缺少光譜信息，特征信息不明顯，難以對地面特征進行有效判讀；無人機正射影像的地面分辨率較高，影像的特征連續，色彩信息豐富，具有準確的幾何地圖屬性和豐富的影像紋理特征，然而其缺少高程信息。二者聯合應用存在著很強的互補性，激光點云與正射影像聯合作業技術流程如圖1所示：

圖1 數據采集技術流程圖

3 融合應用方案

激光點云數據一般是以空間離散坐標的形式存在，每個點都具備著相應的三維空間坐標信息，而無人機正射影像一般是以柵格數據的形式存在，包含二維平面坐標信息。將兩種數據進行融合處理，首先需要通過數學模型建立相應的空間變換關系，使二者處于統一坐標系下，對其粗略配準。

激光點云與正射影像的融合配準本質上是三維坐標系與二維坐標系的變換，因此可以將三維點云坐標系進行二維平面投影，通過計算激光點云中每一個點對應的像素點在影像坐標系中的位置，以此來計算出坐標間的二維變換關系。假設點P為激光點云中的某個三維空間點，其二維平面坐標為(XP，YP)，則點P在影像坐標系中所對應的像素行列號位置信息可以表示為：

(1)

公式(1)中，Col和Row分別代表點P在影像像素坐標系中對應的列號和行號，(X0，Y0)表示影像左上角像素平面坐標，(GX，GY)表示影像橫向和縱向的地面分辨率。

激光點云的平面投影圖像與無人機正射影像都可以表達二維平面上的幾何位置關系，兩類圖像之間滿足仿射變換關系。若以點云投影圖像作為配準圖像A，無人機正射影像作為參考圖像B，則圖像A中的圖像坐標(xA，yA)通過仿射變換就可計算出其在圖像B中的像素坐標(xB，yB)，其坐標變換關系可以表示為：

(2)

激光點云與無人機正射影像屬于異源異構數據，激光點云的地面點密度是相當可觀的，而無人機正射影像的地面分辨率更高，其單位平方內的像素點數量就是成千上萬的，在如此大數量的點陣中尋找出同名點坐標進行坐標變換，往往會造成融合效率的低下。針對這種情況，本文結合格網匹配的方法，對激光點云和正射影像進行格網切割，由于點云和影像的粗略配準提供了相對精確的初始位置，對二者以相同的格網間距進行切割，就可以得到同名格網下的激光點云和正射影像數據，分別在各格網內完成激光點云和正射影像的配準融合，減小了同名點的搜索單元，一定程度上提高了激光點云和正射影像的融合效率。

綜上，激光點云和正射影像配準融合的主要思路如下：

(1)利用相同的格網間距分別對激光點云和正射影像進行切割；

(2)對三維激光點云進行二維平面投影，在各同名格網內建立點云與像素的對應關系；

(3)利用公式(2)求解出點云坐標系與圖像坐標系間的轉換關系，實現二者在二維平面上的配準融合；

(4)利用點云與影像的對應關系對像素進行反投影，找到每個點云所對應的像素坐標，從而將正射影像的顏色值賦給對應位置的點云，生產出真彩色三維點云。

4 案例分析

“南朝四百八十寺，多少樓臺煙雨中”，南北朝時期是佛教發展的黃金時期，南京作為南朝都城，是南朝佛教文化發展繁榮的重要區域。在南京雨花臺區西營村考古學者發掘出了大量的佛教造像和建筑構件，包括有佛像殘件、蓮花紋瓦當、大型石柱礎建筑構件等，經研究分析為南朝佛寺遺址和南唐窯業遺存，同時遺址展現出了南朝佛寺的大體布局。西營村南朝佛寺遺址的發掘豐富了學界對六朝佛寺的認知，對于研究南朝時期佛寺布局、建筑技術特點及東亞佛教文化傳播具有重要的學術意義和文化意義。

數字考古是對文物古跡進行時空數字化記錄和表達的重要方式，三維數字化考古可以真實記錄出考古發掘現場的場景，從而對遺址進行最大化的保護，并可充分表現出遺址地物的特征信息。本項目分別對南京市西營村南朝佛寺遺址進行了機載激光雷達掃描和無人機正射影像采集，激光點云數據采集采用的是大疆M600PRO無人機搭載SZT-R250激光掃描儀，飛行相對航高為 100 m，掃描頻率為 100 kHz，機載點云的平均密度大于 120 Pt/m2，橫縱飛行共二個架次，數據采集共耗費時間約 40 min。正射影像采集使用的是大疆精靈4RTK無人機，飛行相對航高為 100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，行速度為5 m/s，影像地面分辨率為 3 cm，數據采集耗費時間約 35 min。遺址內采集的激光點云和正射影像分別如圖2所示：

圖2 遺址內激光點云和正射影像

激光點云和正射影像的數據處理是相互獨立的后處理方法，在融合配準前二者需要在統一在相同坐標系下，以此來為其粗配準提供初始的平面參考。為驗證激光點云和正射影像的平面精度，分別在點云和影像中選取了一定數量的同名特征點進行平面坐標精度分析，精度統計如表1所示：

激光點云和正射影像平面坐標精度對比表 表1

分析表1數據可知，由于激光點云和正射影像的數據源不同，二者在平面坐標上不可避免地存在著一定的偏差，對表1數據進行中誤差統計，可以計算出平面中誤差約為 4.5 cm。由此可以認為激光點云和正射影像的數據采集及后處理質量較高，二者已經處于較理想的粗配準狀態，基于此就可以進行激光點云和正射影像的配準融合。

基于激光點云和正射影像粗配準的條件下，利用本文介紹的方法對二者進行配準融合。首先對激光點云和正射影像進行格網切割，格網間距設置為 100 m，然后對三維激光點云進行二維平面投影，利用坐標變換關系分別在格網內進行同名點的搜索，實現激光點云與正射影像在二維平面的配準融合，再根據點云與影像間的坐標映射關系對正射影像進行反投影，配準融合生產出三維實景點云模型。配準融合后的三維實景點云模型如圖3所示：

圖3 三維實景點云模型

由融合后的三維實景點云模型可以看出，二維正射影像與三維激光點云已完成了配準融合，融合模型不僅具有三維坐標信息，又有地物的紋理色彩信息。對融合模型進行定性誤差分析，觀察其細部融合效果，可以看出遺址的塔基、磉墩、窯址等特征顯著區域都較精確地進行了對準，而植被覆蓋區域也取得了較好的融合效果，且特征明顯、色彩光澤，制作的三維真彩色點云模型具有地形地貌的立體感和真實感，提高了模型的表征性能。

為了定量評價三維真彩色點云模型的融合精度，在數據采集的同時，利用GNSS-RTK對測區內的部分特征點進行了坐標采集，利用采集坐標和融合后的三維實景點云模型中的同名點坐標進行對比，來評價融合模型的整體精度。本文從其中隨機選取部分坐標進行精度統計，選取的點位在遺址內均勻分布，精度統計如表2所示：

三維實景點云模型精度統計表 表2

對表2數據進行中誤差統計，來評價點云模型的整體精度，中誤差計算公式為：

(3)

由公式(3)可計算出三維實景點云模型的整體中誤差為 3.2 cm，其中模型的平面中誤差為 2.4 cm，高程中誤差為 2.1 cm。對融合模型進一步分析可知，偏差較大的點位主要集中在植被與遺址的分界區域，分析其原因在于植被區域點云與影像融合配準時特征雜亂且無規律，在坐標投影變換和反投影著色時由于同名點匹配錯誤造成了模型的偏差，而在遺址其他區域對模型精度檢測的精度較穩定，因此可以認為基于本文方法制作的融合模型精度較可靠。

考古發掘不僅是一個歷史揭露的過程，同時也是一個不可逆的破壞過程，傳統的考古測繪方法一般是采用人工量測，輔以文字、照片等記錄，測繪效率低，繪圖精度差，而且難以復原考古現場的原景原貌。基于三維空間測繪技術的數字考古，可快速、精確構建出遺址的三維實景模型，真實記錄了遺址場景的三維空間特征，同時直觀展示了遺址的空間形態分布。

由上可知，將激光點云和正射影像融合應用在數字考古中，不管是其工作效率、融合配準精度還是其特征信息均可以滿足數字考古的需求，同時考古發掘是一個連續、長期、動態的過程，完整、精確地記錄發掘過程是進行后續擴展研究的重要基礎。基于三維空間數據可對遺址進行三維重建、可視化展示等，這為遺址古跡的空間特征提取和時空數據分析奠定了基礎。

5 結 論

本文基于機載激光點云和無人機正射影像的技術優勢，研究了一種激光點云和正射影像融合的方法，并應用于數字考古中，以南京市西營村南朝佛寺遺址為研究對象，主要研究結論如下：

(1)隨著信息化測繪技術的發展，機載激光雷達和輕小型無人機已可對地表進行高效、精確的數據采集，這為數字考古提供了一種新的技術手段，不僅提高了數據的采集效率及具有全面性，而且能很大程度地減少接觸遺址古跡的不必要破壞；

(2)融合激光點云高精度的三維空間信息和正射影像豐富的光譜信息，可以構建出地表真實的三維實景點云模型，提高了地物特征識別的準確性；

(3)激光點云與正射影像的融合模型包含了完整的時空數據信息，準確記錄了遺址古跡的空間位置、細節尺寸、紋理色彩等信息，這為后期的遺址保護、發掘過程溯源、文物建檔修復和數字化復原展示等相關研究提供了翔實的三維基礎資料。