傾斜攝影測量技術在大遺址保護中的應用

■ 王萬忠 王光生

大遺址是我們祖先長期從事各類活動的歷史遺存，是人類發(fā)展史的見證，它的歷史價值體現(xiàn)在自身所攜帶的歷史信息和對歷史事實的真實展示，綜合并直接體現(xiàn)了中華民族和中華文明的起源與發(fā)展，是構成中華五千多年文明史的主體和支撐。大遺址所蘊藏的歷史信息極為豐富，在一定程度上反映當時社會的生產(chǎn)力發(fā)展水平、科技水平以及人類創(chuàng)造力等，具有很強的科學文化價值。通過研究大遺址，可以對古代的政治、經(jīng)濟、文化、外交等方面做出客觀評價。我國歷來重視大遺址保護工作，一直將其作為文物保護的重中之重，但大遺址地域廣闊、布局復雜、信息量大、遺存豐富，具有不可再生的價值和不可替代的地位。

長期以來，大遺址數(shù)據(jù)獲取主要以傳統(tǒng)測量方式為主，包括人工測量、傳統(tǒng)攝影等，由于地域廣闊、環(huán)境復雜等特點，造成數(shù)據(jù)獲取速度慢、效率低、準確度低等一系列問題，很多數(shù)據(jù)主要以量測為主，對后續(xù)規(guī)劃和應用造成很大誤差。本文針對以上問題，結合傾斜攝影測量技術的特點，說明該技術能有效解決當前大遺址保護中數(shù)據(jù)獲取難度大、精度低等問題。其獲取的DEM、DOM、三維模型等產(chǎn)品可以為后續(xù)的保護方式選擇、方案設計、綜合管理等提供思路和數(shù)據(jù)支撐，并能夠對不同類型的遺址現(xiàn)狀進行數(shù)字化保存和歷史性存檔，為以后的大遺址保護及規(guī)劃提供科學依據(jù)。

一、大遺址保護現(xiàn)狀

大遺址作為中華文明起源和發(fā)展的“物化載體”，是我國文化遺產(chǎn)的重要組成部分，也是建設文化強國的重要戰(zhàn)略資源。早在20 世紀中期，我國就開始了對大遺址保護的實踐探索，在最早的《中華人民共和國文物保護法》中就對文化遺址的保護條例做了詳細介紹。20 世紀80 年代，現(xiàn)代考古學家蘇秉琦首次提出“大遺址”的概念；20 世紀90 年代中后期，國家更加重視對大遺址的保護和利用，并提出對大遺址要采取法律形式保護；進入21 世紀后，《中國文物古跡保護準則》《大遺址保護“十三五”專項規(guī)劃》等眾多法令相繼頒布，已經(jīng)將大遺址保護上升為國家戰(zhàn)略。近年來，隨著經(jīng)濟水平的快速發(fā)展和社會民生改善需求的增強，以及當代城鎮(zhèn)化背景下大遺址面臨著各種破壞威脅，大遺址的保護受到國家、各級地方政府、業(yè)界、學界以及相關領域的高度重視。經(jīng)過多年的實踐探索和科學研究，我國在保護理念、保護方式、技術手段和綜合管理等方面都取得了一定的成就。

大遺址的破壞主要包括自然和人為兩個方面。相對于風雨侵蝕等自然因素，人為破壞因素在大遺址保護中產(chǎn)生更大的威脅。隨著我國城市化進程不斷加快，越來越多的大遺址被劃進城市發(fā)展圈，導致區(qū)域化發(fā)展和大遺址保護的矛盾日益增加，保護難度不斷加大。過去大遺址的數(shù)據(jù)獲取手段主要以傳統(tǒng)測量為主，無法及時制定有針對性的保護對策。例如，之前進行的齊長城保護前期勘察測繪工作就是采用人工卷尺測量、照相機攝影存檔等技術手段，不僅需要大量的人力、物力，還需要很長的工作周期，且傳統(tǒng)測量方式獲取的數(shù)據(jù)存在不夠全面、精度低等問題。

當前，世界范圍內對于大遺址保護的理念不斷更新，數(shù)據(jù)獲取手段也在不斷改進。在前期測量工作中，如何在不破壞遺跡本體及周圍環(huán)境的前提下，快速高效地獲取制定保護方案、項目實施、綜合管理所需的數(shù)據(jù)，已成為國內外學者及業(yè)界相關人士的研究熱點之一。

二、傾斜攝影測量技術

隨著經(jīng)濟水平的提升和科學技術的進步，無人機測繪技術也得到了迅速發(fā)展。無人機傾斜攝影測量技術相較于傳統(tǒng)三維建模方式，擁有低成本、高機動性、高效率、高精度的優(yōu)點，彌補了衛(wèi)星遙感技術等只能獲取正射影像的不足。傾斜攝影測量技術通過多角度獲取被測地物的紋理信息，為三維實景模型的構建提供充足的數(shù)據(jù)源，使快速自動構建大范圍精細化模型成為可能。因此，傾斜攝影測量技術逐漸成為三維實景建模的重要手段之一，被廣泛應用于國土資源管理、災害評估、工程測量、地籍確權、土地規(guī)劃、實景導航等各個領域。

傾斜攝影測量技術是近年來國際遙感領域新興的一項高新技術，自2010 年引入國內后，得到突飛猛進的發(fā)展。該技術有效融合了近景攝影測量技術與航空攝影測量技術的優(yōu)勢，與常規(guī)航空攝影測量只能以垂直角度獲取地面信息不同，它是通過在飛行平臺上搭載單個和多個鏡頭相機，以及先進的坐標定位系統(tǒng)，能夠從垂直、前視、后視、左視和右視五個不同角度采集影像及位置信息。通過后期數(shù)據(jù)處理，可制作生成4D 產(chǎn)品（DEM、DOM、DLG、DRG），并可以借助自動化三維建模技術，快速高效構建出具有準確地物地理信息的真三維空間場景，直觀掌握目標區(qū)域內地形地貌與所有建筑物的細節(jié)特征，可為后期大遺址保護提供詳細、準確、逼真的基礎地理信息數(shù)據(jù)。

（一）傾斜攝影測量技術的流程

首先做好飛行前準備工作，包括明確遺址保護要求，確定遺址保護所需的成果類型、精度、規(guī)范等信息，如坐標系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式等。在航測前實地考察遺址現(xiàn)場情況，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來確定飛行高度、速度等飛行參數(shù)，根據(jù)精度要求布設控制點，像控點的布設方式和數(shù)量會影響建模的精度。然后根據(jù)制定好的飛行參數(shù)以及航測計劃，尋找合適的起飛點，對遺址區(qū)域進行航飛數(shù)據(jù)獲取。外業(yè)航測任務完成后，將影像數(shù)據(jù)導出進行內業(yè)數(shù)據(jù)處理，運用相應軟件進行空中三角測量，通常運用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，將控制點數(shù)據(jù)與影像的POS 數(shù)據(jù)作為外方位元素的初始值進行聯(lián)合平差，實現(xiàn)多視角影像空三解算。利用畸變改正后的影像數(shù)據(jù)結合空三加密成果，通過多視影像密集匹配技術生成密集點云，然后基于點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)，最后通過紋理映射實現(xiàn)三維模型的構建。

（二）傾斜攝影測量技術在大遺址保護中的優(yōu)勢

傾斜攝影測量技術在大遺址保護中具有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在三個方面。一是反映遺址真實情況并能夠對遺址內地物進行測量。傾斜攝影測量所獲取的三維數(shù)據(jù)可以真實反映遺址內地物的位置、高度、面積等屬性，增強了三維數(shù)據(jù)所帶來的真實感，很大程度上彌補了人工模型仿真度低的缺點，有效解決了三維數(shù)據(jù)的精度問題。二是性價比高。在傳統(tǒng)的三維建模過程中，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，可能導致整個建模項目作廢，而傾斜攝影測量技術大大減少了人為干預，很好地規(guī)避了這一缺陷；并且，通過該技術獲取的影像通過后期處理能夠同時輸出DSM、DOM、DLG等多種數(shù)據(jù)成果，可為大遺址保護提供豐富、有效的數(shù)據(jù)支撐，有效降低了大遺址測繪中數(shù)據(jù)獲取的成本。三是高效率。在傾斜攝影測量過程中，無人機代替飛行平臺，技術人員可根據(jù)不同情況合理調節(jié)運動軌跡，利用軟件進行數(shù)據(jù)處理，生成相關的三維成果，減少人工投入，節(jié)約測量時間。實驗數(shù)據(jù)證明：一個中小型遺址的測量過程運用人工手段需要一兩個月，而借助傾斜攝影測量技術只需要3 到5 天就能完成。

以傾斜攝影測量技術在齊長城遺址保護中的應用為例。齊長城遺址橫亙于山東省境內，全長641.3 公里，其建筑特點是就地取材，走向隨地形及地貌的變化而變化，其中泰山段更是地形復雜。由于地勢險要、地形起伏大等原因，采用人工測量的方式很難完成該段齊長城的前期數(shù)據(jù)獲取，因此采用傾斜攝影測量方式。但由于其特殊的地形條件，無人機航測也面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了保證設備安全，并獲取精確數(shù)據(jù)，本項目采用防地飛行的方式獲取數(shù)據(jù)。通過后期數(shù)據(jù)處理，獲取了齊長城的三維模型、三維點云、數(shù)字正射影像圖、等高線等一系列衍生產(chǎn)品。通過這種方式可以實現(xiàn)對于整個齊長城的完整數(shù)據(jù)采集，避免人工測量的數(shù)據(jù)遺漏問題，提高了數(shù)據(jù)采集的精度，大大縮減了前期采集數(shù)據(jù)的時間，并且，獲取的數(shù)字化成果可以更好地為后期保護規(guī)劃方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

三、產(chǎn)品及應用

大遺址保護是一項十分復雜的工程，不同地區(qū)、不同類型的大遺址存在不同的破壞類型，不可能制定統(tǒng)一的保護方案，而應根據(jù)遺址的具體情況采取相應措施。齊長城遺址泰安段由于其特殊的地理條件，利用傾斜攝影測量技術對其進行航測獲取影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理衍生出一系列數(shù)字產(chǎn)品——三維模型、DOM、DEM、DLG 等，有效解決了人工獲取數(shù)據(jù)難而導致的基礎資料不足的問題，為齊長城遺址保護提供了有力的數(shù)據(jù)支撐和科學依據(jù)。

三維模型具有高精度、高分辨率、高清晰度等特點，可精確反映整個齊長城遺址的分布狀況及周圍環(huán)境狀況，并能根據(jù)精確的坐標量測位置、距離、面積、體積等信息；在后期保護方案設計中，能充分體現(xiàn)遺址與環(huán)境保護的完整性和真實性；還可實現(xiàn)模型編輯，對保護方案進行VR 模擬，避免保護措施實施后達不到保護要求等問題，充分體現(xiàn)了“保護為主”“少干預”“可逆性”等文物理念與原則。

數(shù)字正射影像圖（DOM）具有精度高、信息豐富、直觀逼真等特點，能夠為前期的大遺址現(xiàn)狀調查提供大量信息，可以直接反映許多問題。同時，利用數(shù)字正射影像圖作為規(guī)劃底圖，使規(guī)劃內容和周邊環(huán)境的關系更加清晰，在齊長城遺址保護的前期規(guī)劃設計中發(fā)揮著重要作用。

數(shù)字高程模型（DEM）反映的是地形高低起伏（高程）信息，能夠便捷地將其轉換為等高線、透視圖、斷面圖、坡度圖等相關產(chǎn)品，對輔助判讀大遺址的空間形態(tài)和結構特征具有明顯優(yōu)勢。由于齊長城遺址主要依山建立，齊長城本體周邊有大量的植被，通過其相關產(chǎn)品分析，有效避免了建筑、植被、水體等因素對地形的影響。齊長城遺址的保護與周圍環(huán)境緊密相聯(lián)，首先應考慮流水問題，尤其是地形復雜受到河湖及洪水威脅時，根據(jù)DEM 提供的齊長城遺址規(guī)模及精確的高程信息，可因地制宜地制定出合理的治水方案。

數(shù)字線劃地圖（DLG）是將一種或多種地圖要素進行矢量化而形成的一種數(shù)據(jù)文件。其數(shù)據(jù)量小，便于分層，能夠快速生成專題地圖，因此也被稱為數(shù)字矢量專題信息。齊長城遺址保護中所需的總平面圖就是數(shù)字線劃圖，通過人工測量獲取需要大量的人力、物力、時間等，利用航測三維模型進行數(shù)字化采集獲取總平面圖，則大大縮短了時間、降低了成本，并且在一些地形復雜、人工難以量測的遺址測量中發(fā)揮更大的作用。

結語

任何一個行業(yè)和領域的發(fā)展都離不開科學和實踐的推動，大遺址保護也不例外。嚴格來講，隨著測繪技術在文物保護領域的不斷發(fā)展，文物數(shù)字化逐漸成為文物保護工作中的研究熱點，而將傾斜攝影測量技術應用到大遺址的保護更具創(chuàng)新性和先進性。利用該技術，可有效提高數(shù)據(jù)的準確性和全面性，尤其是在建筑復雜、地質惡劣和交叉跨越設施復雜的地區(qū)；還可獲得地形圖、精細三維模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖等一系列測繪成果，為大遺址的保護和修繕工作提供了豐富、精確的數(shù)據(jù)支撐。此外，三維模型能夠通過數(shù)字化展示平臺，實現(xiàn)面向用戶的交互式展示，對實現(xiàn)文物資源共享、傳播古老文明、展示優(yōu)秀歷史文化具有極其重要的意義。