無人機(jī)遙感在大型不可移動(dòng)文物三維重建中的應(yīng)用

于丙辰，陳 剛，段淼然，曹飛飛，張 笑

(1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023; 3. 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

無人機(jī)遙感在大型不可移動(dòng)文物三維重建中的應(yīng)用

于丙辰1,2,3，陳 剛1,2,3，段淼然1,2,3，曹飛飛1,2,3，張 笑1,2,3

(1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023; 3. 江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

針對大型不可移動(dòng)文物三維重建技術(shù)存在的困難，本文基于無人機(jī)遙感等平臺，利用基于圖片的三維重建技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低成本、簡便高效、較高精度的大型不可移動(dòng)文物的表面精細(xì)幾何紋理獲取與三維重建的技術(shù)流程，對建模中的技術(shù)問題進(jìn)行了研究，并對其精度和實(shí)用性進(jìn)行了評價(jià)。其結(jié)果較好地滿足了文物測量的精度要求；為文物保護(hù)與展示等研究提供了新的思路，能全方位、近距離面向公眾做三維展示；結(jié)果帶有精確的地理位置信息，可作為三維GIS平臺新的數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)源。

六朝陵墓石刻；無人機(jī)遙感；不可移動(dòng)文物；三維重建；地理信息采集

無人機(jī)遙感具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、靈活機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為衛(wèi)星遙感、有人機(jī)遙感和地面遙感的有效補(bǔ)充手段[1]。而微型無人機(jī)的普及使其應(yīng)用更加廣泛，成為三維空間數(shù)據(jù)采集的重要方法，如災(zāi)害監(jiān)測[2-3]、工程測量[4-5]等。同時(shí)，以近景攝影測量和計(jì)算機(jī)視覺理論為基礎(chǔ)的基于圖片的三維重建在數(shù)字城市[6]、DEM獲取[7]、石刻文物[8]等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。

將無人機(jī)遙感與基于圖片的三維重建相結(jié)合，被引入到考古、文物保護(hù)方面的文物數(shù)字化研究，如考古遺址[9-10]、古建筑[11-12]等的三維重建。而目前常用的激光雷達(dá)掃描、工業(yè)CT掃描等手段，存在儀器價(jià)格高昂、操作復(fù)雜、不易攜帶、對文物表面有損害等不便之處，在精度要求一般的文物保護(hù)領(lǐng)域存在一定困難。

南京六朝陵墓石刻歷史悠久，具有很高的歷史價(jià)值。其體型巨大，為不可移動(dòng)文物。長期以來，野外環(huán)境下的石刻受風(fēng)化、酸雨等自然侵害及盜拓等人為破壞，文物表面遭受一定損害。偏僻的位置也不便于普通民眾參觀游覽。而三維重建模型可以保留文物原始樣貌資料，同時(shí)可用作虛擬三維展示面向民眾展覽。但巨大的體型與文物保護(hù)的要求，使得其表面數(shù)據(jù)采集存在一定困難。

針對上述問題，本文基于無人機(jī)遙感等技術(shù)，以南京六朝陵墓石刻的優(yōu)秀代表——蕭景墓石刻為例，對其進(jìn)行三維重建研究。

1 研究對象與技術(shù)

1.1 研究對象

蕭景墓石刻全稱梁吳忠平侯蕭景墓神道石刻，位于南京市棲霞區(qū)十月村。原為石辟邪與神道柱各一對，現(xiàn)存西側(cè)神道柱與東側(cè)石辟邪，為國家文物重點(diǎn)保護(hù)單位。東側(cè)石辟邪體長約3.8 m，寬約1.55 m，高約3.8 m，曾作為南京市標(biāo)的主體圖案。西側(cè)神道柱是南京同類文物中保存最完好和最具有代表性的一尊，通高約6.5 m[13]。

1.2 無人機(jī)遙感與基于圖片的三維重建

微型無人機(jī)具有體積小、價(jià)格低、性能較好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于獲取航攝數(shù)據(jù)。微型無人機(jī)具有空中懸停、變換鏡頭視角的功能，可以從低空對大型不可移動(dòng)文物多角度拍攝，獲取包含立體像對的影像圖片。與數(shù)碼相機(jī)不同，微型無人機(jī)具有慣性導(dǎo)航功能，拍攝的無人機(jī)影像帶有精確的位置信息與外方位元素。影像的位置信息與外方位元素可提高三維重建中影像位置復(fù)原的效率與成功率，其重建結(jié)果也帶有精確的位置信息，便于導(dǎo)入三維GIS平臺處理與展示。本試驗(yàn)采用的微型無人機(jī)為大疆GL3000型。

基于圖片的三維重建是指以計(jì)算機(jī)視覺、近景攝影測量理論為基礎(chǔ)，利用地物的數(shù)碼圖像信息重建其三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)，并可為三維模型附加真實(shí)紋理，獲得高還原度、高逼真度的模型?；趫D片的三維重建綜合了計(jì)算機(jī)視覺與近景攝影測量的優(yōu)點(diǎn)，只需較少控制點(diǎn)甚至不需要控制點(diǎn)即可快速復(fù)原各個(gè)相片的空間位置，直接進(jìn)行空中三角測量重建出物體的密集點(diǎn)云與紋理信息，然后可導(dǎo)出所需的三維模型。該方法簡化了近景攝影測量的步驟，也彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)視覺方法缺少的精確地理位置信息[14]。

三維重建基于Smart3Dcapture(簡稱S3C)軟件平臺進(jìn)行，它是法國Acute3D公司研發(fā)的基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速實(shí)景三維重建軟件，可以自動(dòng)完成三維重建并生成帶真實(shí)影像紋理的高精度三維模型，極大地方便了三維重建流程。

2 蕭景墓石刻三維重建

2.1 技術(shù)流程

蕭景墓石刻的三維重建流程包括野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)加工和模型處理3部分。通過野外采集數(shù)據(jù)獲取石刻的無人機(jī)影像等數(shù)據(jù)；在室內(nèi)數(shù)據(jù)加工過程中，利用所采集的像片數(shù)據(jù)構(gòu)建三維空間點(diǎn)云，之后重建出研究對象的三維模型；最后對三維模型進(jìn)行拼接、裁剪等后期處理。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2.2 野外數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是三維重建的關(guān)鍵步驟，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量將決定三維重建的質(zhì)量。在采集前應(yīng)詳細(xì)設(shè)計(jì)采集方案，使數(shù)據(jù)采集得到足夠的立體像對和清晰的表面紋理，并確保數(shù)據(jù)采集的完整性。采集工具包括微型無人機(jī)、手持GPS、微單相機(jī)、紅外測距儀等。微型無人機(jī)用于采集石刻上部和頂部等高度較高處的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)采集整個(gè)研究區(qū)的航空影像數(shù)據(jù)用于制作DOM。微單相機(jī)用于采集石刻下部較低處的影像數(shù)據(jù)。手持GPS和紅外測距儀用于測量布設(shè)工作。

數(shù)據(jù)采集方案如圖2所示，按照不同高度環(huán)繞石刻來拍攝。其中地面微單相機(jī)采集3組，在可以獲取全局整體影像的較遠(yuǎn)距離拍攝一組；在可以獲取清晰表面紋理的較近距離拍攝兩組，分別為較低高度(距地面約0.5 m)和較高高度(距地面約1.3 m)。每組環(huán)繞石刻設(shè)置8～16個(gè)拍攝點(diǎn)，保證相鄰拍攝點(diǎn)有50%以上的重合度，在同一組拍攝過程中應(yīng)使用相同的焦距。每個(gè)拍攝點(diǎn)按照不同的視角和方位拍攝多張照片，以獲取足夠的立體像對。在拍攝同時(shí)利用手持GPS采集攝點(diǎn)的位置信息。

無人機(jī)空中拍攝與地面微單相機(jī)采集類似，按不同的高度環(huán)繞石刻進(jìn)行拍攝，利用無人機(jī)的懸停與鏡頭調(diào)向的功能，拍攝不同視角和不同方位的多張照片，同時(shí)保證相鄰拍攝點(diǎn)間的重合度。對石刻頂部應(yīng)詳細(xì)拍攝，確保頂部數(shù)據(jù)采集的完整性。之后，拍攝研究區(qū)的航空影像，自某一邊角開始，沿與某一邊界平行的航線在研究區(qū)內(nèi)往返拍攝，每隔一段距離懸停拍攝照片，并保證相鄰照片重合度在60%以上，直至拍攝完畢。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)補(bǔ)拍一些照片，如外圍無法直接拍攝的石辟邪腹部等位置。最后，用紅外測距儀測量石刻基座的尺寸及兩石刻間的距離等數(shù)據(jù)備用。

本試驗(yàn)共采集影像837張，其中石辟邪392張、神道柱278張、正射影像167張。

2.3 室內(nèi)數(shù)據(jù)加工

室內(nèi)數(shù)據(jù)加工包含影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維重建軟件處理和三維模型導(dǎo)出3部分。影像數(shù)據(jù)預(yù)處理將GPS采集的攝點(diǎn)位置信息賦予在該點(diǎn)微單相機(jī)拍攝影像的EXIF信息中。

三維重建軟件處理是三維重建的核心部分，將采集的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入S3C中，S3C自動(dòng)化程度很高，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較好的情況下，使用默認(rèn)設(shè)置即可。其處理過程先是復(fù)原相片位置與空中三角測量，利用照片信息及圖像匹配算法將每張相片拍照時(shí)的位置、狀態(tài)復(fù)原，并生成空間點(diǎn)云，可以根據(jù)點(diǎn)云生成結(jié)果，判斷重建的效果。如果效果較好，則可生成帶有精確位置信息、較高精度的三維模型。模型生成將消耗較多的顯存和內(nèi)存，需合理設(shè)置分塊、紋理質(zhì)量等參數(shù)，使效率最優(yōu)。圖3為所得結(jié)果。此外，還可以生成研究區(qū)DOM、DEM，作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

2.4 模型后期處理

在石刻三維重建完成并導(dǎo)出之后，還需使用三維建模軟件對模型進(jìn)行拼接、裁剪、置平等后期處理。由于模型為分塊導(dǎo)出，需要將不同的分塊拼接起來；模型四周的無關(guān)區(qū)域或不規(guī)則邊界應(yīng)裁切掉；為便于展示，模型應(yīng)通過置平來保證水平。

圖3 三維重建結(jié)果

通過以上技術(shù)流程，獲得最終的三維重建結(jié)果。理論上，僅需兩個(gè)工作日即可完成約10 000 m2范圍及兩座石刻的數(shù)據(jù)采集與三維重建工作。

3 問題與評價(jià)

3.1 技術(shù)問題研究

在三維重建過程中，會出現(xiàn)空間點(diǎn)云分為多部分、模型孔洞等問題，本文對上述技術(shù)問題進(jìn)行了研究解決。

空間點(diǎn)云分為多部分多因數(shù)據(jù)采集時(shí)相鄰影像未保證一定的重疊度而造成。可以通過添加Tie Point(聯(lián)結(jié)點(diǎn))解決，Tie Point是指不同影像可以互相匹配的點(diǎn)，從而將照片聯(lián)結(jié)起來。添加時(shí)，確認(rèn)模型分為幾部分，盡量在各部分間聯(lián)結(jié)。設(shè)定完之后重新生成點(diǎn)云，若仍有錯(cuò)誤則重新添加，直至獲得較好結(jié)果。

模型孔洞多發(fā)生于數(shù)據(jù)采集不完全的部位，在無法重新采集的情況下較為麻煩，多利用三維建模軟件對其進(jìn)行修補(bǔ)?？锥摧^大難以修補(bǔ)時(shí)，則應(yīng)重新生成。

3.2 精度評價(jià)

本文技術(shù)流程的三維重建文物精度較高，文物表面的細(xì)小花紋、碑面文字都可以很好地完成重建。選取相對規(guī)則的神道柱基座作為典型區(qū)，利用軟件反復(fù)量測，精度評價(jià)報(bào)告見表1。

表1 三維重建結(jié)果精度評價(jià)報(bào)告

由表1可知該重建結(jié)果的相對精度可達(dá)1∶700～1∶1600之間，可較好地滿足文物研究的需求。

3.3 實(shí)用性評價(jià)

通過與激光雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù)采集方式[15]進(jìn)行對比，從采集工具、流程、效率、精度、成本等角度對本文的技術(shù)流程的實(shí)用性進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表2。

表2 三維重建技術(shù)實(shí)用性對比

由表2可知，與激光雷達(dá)相比，本文的技術(shù)流程具有工具輕便、靈活性高、操作簡單、成本較低、數(shù)據(jù)處理流程簡單及對文物無危害等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，本技術(shù)流程存在數(shù)據(jù)精度較低、受天氣限制、采集效率較低等缺點(diǎn)。但是相對所花費(fèi)的成本，本研究的精度、采集效率具有極高性價(jià)比。

4 結(jié) 語

本文利用微型無人機(jī)等工具以南京六朝時(shí)期蕭景墓石刻為例對大型不可移動(dòng)文物的三維重建進(jìn)行了研究，對其中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了討論，并對其精度和實(shí)用性進(jìn)行了評價(jià)。得出以下主要結(jié)論：

(1) 提出了一套完整的針對大型不可移動(dòng)文物的精細(xì)表面幾何與紋理數(shù)據(jù)采集，以及三維重建的技術(shù)流程。該技術(shù)流程具有成本低廉、靈活易操作、數(shù)據(jù)處理流程簡單、效率較高和對文物無破壞等優(yōu)點(diǎn)。

(2) 為大型不可移動(dòng)文物保護(hù)、研究與展示提供了新的研究思路。三維重建結(jié)果精度較好地滿足了文物研究需求，且更加便捷。同時(shí)精細(xì)的紋理貼圖具有逼真的展示效果，滿足了公眾參觀的需求，并可以全方位近距離欣賞。

(3) 可作為三維GIS平臺新的數(shù)據(jù)采集方法和數(shù)據(jù)源。該流程重建的三維模型帶有精確的位置信息，可直接導(dǎo)入三維GIS平臺中使用，作為虛擬地理環(huán)境展示的數(shù)據(jù)源。

在三維重建過程中，仍存在模型貼圖出錯(cuò)、模型孔洞等問題，目前多采用修補(bǔ)方法，進(jìn)一步的研究中，將從數(shù)據(jù)采集方面探究其原因，對其進(jìn)一步解決。

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UAV RS Applied in 3D Reconstruction of Huge Immovable Cultural Relics

YU Bingchen1,2,3,CHEN Gang1,2,3,DUAN Miaoran1,2,3,CAO Feifei1,2,3,ZHANG Xiao1,2,3

(1. Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China； 2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resourse Development and Application, Nanjing 210023, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Geographic Information Technology, Nanjing 210023, China)

Aiming at the problem in 3D reconstruction of huge immovable cultural relics, based on UAV RS platform, we use 3D reconstruction based on pictures technique, then design a low cost, quick, high accuracy process for surface exquisite geometry and texture data acquisition and 3D reconstruction. Besides, we research on the problems in this process and evaluate its accuracy and practicability. It shows that the method meets the accuracy requirements of cultural rclics surveying, and we raise a new view for protection and display of cultural relics which can show culturals to audiences totally and closely the 3D reconstruction result has accurate position so it can be used as new data acquisition method and data source of 3D GIS platform.

Mausoleums Stone Sculptures of the Six Dynasties; UAV RS; immovable cultural; 3D reconstruction; GIS data acquisition

于丙辰，陳剛，段淼然,等.無人機(jī)遙感在大型不可移動(dòng)文物三維重建中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(5)：43-46.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0151.

2016-09-30；

2017-01-22

國家自然科學(xué)基金(41271160)

于丙辰(1993—)，男，碩士生，研究方向?yàn)镚IS分析。E-mail:1326656117@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0043-04