近景摄影测量在汉墓遗址保护中的应用分析

王炳新

辽宁省有色地质一〇一队有限责任公司 ,辽宁省 抚顺市 ,113006;

摘要：文物是历史发展的见证，是研究历史变革发展的重要资料，不可复制。通过对文物有效保护可以弘扬中华优秀的传统文化，提高历史文化知识和文物保护的意识。近景摄影测量技术是一种非接触性的测量手段，具有灵活方便、成本低、重量轻、体积小等特点被广泛应用于文物保护的设计、施工、竣工、验收等各个阶段。为了让大家对非量测数码相机在文物三维建模、立面图制作等方面进行了解,本文主要结合实际应用介绍近景摄影测量技术在文物保护中的具体应用。

关键词：近景摄影 测量 三维 文物

Keywords: close-range photography, surveying, 3d, cultural relics

0引言：随着三维技术飞速发展，无人机摄影测量、三维扫描技术、近景摄影测量技术被广泛的应用在三维可视化领域。无人机摄影测量被应用于室外视野开阔，障碍物少、建筑物顶端等作业区域；三维扫描仪技术主要应用于室内室外无人机无法飞行的区域。然而在地下无光线的密室内，需要利用近景摄影测量技术与外置补光灯相互配合，进行一定重叠度的真彩色照片拍摄，通过空中三角测量等技术制作真彩色纹理的三维模型及立面图，本文主要介绍利用近景摄影测量技术在古墓设计中的应用及作业流程和成果数据精度分析等。

1近景摄影测量技术特点

近景摄影测量主要应用在古建筑摄影测量、工业摄影测量和生物医学摄影测量等方面。其主要是是测定目标物的大小、形状、运动状态，对目标物绝对位置的没有要求。近景摄影测量主要采用采用非量测相机（数码相机）进行三维空间的目标拍摄。具有精度高、便携性好、数据采集量大、适应性好等特点

在使用近景摄影测量的过程中需要保持两张以上的图像才能够获得准确的坐标信息[3]。

2相机检校

利用非量测数码相机进行三维立体模型前需对数码相机进行检校。普通数码相机本身不是专门为摄影测量设计的，属于非量测相机，其内方位元素无法直接测定，也存在较大的光学畸变差[2]。通过相机检校可确定三维物方空间坐标系与相机二维图像坐标系之间的变换关系,即给出非量测数码相机的内方位元素及其镜头畸变(径向、切向)的模型参数[5]。利用平面模板相机检校法利用旋转矩阵的正交条件和非线性最优化进行相机的检校。该方法要求相机在两个以上不同方位拍摄一个平面模板的图像,它具有简单方便、成本低、稳定性好的特点[6]。

3投入的仪器设备

3.1软件简介

Smart3DCapture软件是法国Acute3D 公司自主研发的， 具有自动化的空中三角测量、三维模型重建等处理技术[1] 可得到各种格式的三维模型、正摄影像（dom）、数字地表模型（dsm）。

3Dreshaper是一款处理3D点云数据的建模软件。软件解决方案覆盖了所有的点云，3D网格，曲面重建，检测及逆向工程等方面。本工程主要对应用其模型展开、坐标系变换、正射影像制作等功能。

CASS10.1是基于AutoCAD平台技术的数字化测绘数据采集系统，可加载超大影像数据，利用成图功能进行剖面图的制作。

3.2硬件设备简介

本次地下墓室近景摄影采集设备采用佳能6D MarkII数码相机、智能手机、云台、操作手柄、camera connect 相机连接APP、32G存储卡2张，外置补光灯3台套，反光板2张。相机参数如表1所示，主要使用设备如图1所示。

表1：佳能6D MarkII相机参数如下

相机型号	佳能6D MarkII
相机类型	高端单反
相机有效像素	2620万
相机分辨率	6240*4160
曝光模式	程序自动曝光 (P)光圈优先(A)，快门优先（S），手动曝光（M）
传感器尺寸	35.9×24mm
影像处理器	DIGIC 7
存储方式	SD卡
无线功能	WiFi
外形尺寸	144×110.5×74.8mm

图1：主要设备照片如下

4 近景摄影测量

对墓室的墓道、甬道、墓室、耳室等进行近景摄影测量拍摄，获取每个墓室的立面高清影像数据，并拍摄地宫内顶面仰视照片，制作地宫内部各墓室、耳室、甬道等立面的正射影像图为病害图提供基础。

4.1控制测量

近景摄影测量控制测量的目的是摄影测量的立体模型进行尺寸约束。在文物保护中与常规地形像控点的材料不同，常规地下像控材质可采用喷漆喷绘标记或特征地物等方式布置。而利用喷绘等方式会对文物本体造成一定的伤害，所以在空间窄小，特征点少的地下墓室，我们采用了以下的图案标记进行打印，打印控制点样式如图2所示，均匀固定在作业区域内，完成控制点布置。遇到作业人员无法到达作业区域，可选择一定的地物特征点作为控制标记。像控点的三维坐标可通过全站仪等方式获取。

图2：像控标志样式如下

4.2数据采集

（1）现场踏勘

主要是对场地的稳固性、场地空间及光线情况是否满足摄影的要求，并对拍摄位置点进行踏勘，踏勘后初步设计拍摄方案和路线及拍摄时间。

（3）拍摄色卡

将色卡放置在拍摄目标区中间，对其进行摄影，根据白板和色卡红绿蓝三色初步调整摄影参数（包括白平衡设置），保证色彩与文物真实色彩相近。

（4）拍摄目标

根据墓道的现状，选择合适的拍摄距离，对目标进行多角度摄影,同一物体部分的不同视角之间应保持15度以下的夹角，拍摄结束逐张检查数据质量，确保无模糊影像。

（5）影像重叠度

影像的重叠度包括横向重叠和纵向重叠两个方面，本项目横向重叠度和纵向重叠度均65%-85%之间，90度拐角区域需特别注意影像采集的重叠度。

（6）数据检查与保存

数据检查指摄影师在拍摄现场对每拍摄一张图像后对数据在相机显示屏内放大对图像相关参数的检查，根据本项技术在项目实施过程累积，此项步骤是非常重要的。如在弱光环境时拍摄时，即便是使用三角架拍摄，亦有可能发生图像虚焦的情况。所以，这一步的检查非常重要。

5．数据处理

5.1数据检查

（1）影像检查调色

采用纹理摄影测量方式采集的影像重叠度大于65%，数据量非常大，难免存在模糊照片，需要检查剔除。而且，不同光照环境拍摄的影像色调之间存在差异，在进行统一处理之前必须进行影像检查与调色。

（2）影像分区分块

由于数据海量，必须分块进行建模处理。分块按照影像采集顺序及文物形态分布情况进行，本项工程共分12个墓室、8个耳室、2个甬道、18个过道等41个区块。

5.2数据处理

（1）影像匹配

摄影测量中最为重要的一步即为影像匹配，利用Smart3DCapture软件完成对齐影像空中三角测量等流程。

（2）添加控制点

空中三角测量结束后，通过测量菜单下的添加控制点功能，对所有控制点进行刺点工作，并对每个控制点筛选出的相片进行逐一查看刺点，所有刺点结束后再利用控制点约束后再一次提交空中三角测量任务，查看空中三角测量报告，各控制点约束精度及像片匹配精度是否满足要求。

（3）产品生产

先后对产品名称进行命名，选择生产目的（三维网格、三维点云、正射影像等），选择数据格式，空间参考系选择，对产品范围进行设置，选择产品输出目录等。

（4）数据处理

将产品导入到3Dreshaper软件中，进行数据分离裁切处理，将数据加工不需要的部分进行删除。

（5）成果输出

由于墓道为不规则墙面，首先根据墙面的弯曲度将墙面切割多块，选择每块的中心轴进行展开，在通过改变坐标系进行成果正射输出，所示进行坐标系选择与变化，将导出的区块立面数据通过photoshop进行拼接。根据拼接的区块模型数据，制作剖面数据，利用CASS10.1制作二维矢量图。

6成果质量分析

6.1误差来源

控制点的数量和分布，以及控制点的大小；摄站数量及其分布，摄影方式、摄影距离；监测点在影像中的变形，比如投影变形；投影空间大气或其他介质的折光影响；被测物体的照明状态，被测物体表面结构的处理；摄影空间大气或其他介质的折光影响[4]。

6.2数据检核

通过对特征地物点之间的距离进行实地量取与图上距离进行比较分析，表2为成果数据分析统计表。

表2：成果数据分析统计表

序号	模型展开后量取的距离/m	实地量取的特征点距离/m	差值/mm	相对误差1/M
1	7.153	7.147	6	1191
2	5.256	5.259	3	1753
3	3.340	3.337	3	1112
4	2.147	2.143	4	536
5	4.241	4.244	3	1415
6	2.654	2.656	2	1328
7	5.648	5.652	4	1413
8	4.886	4.881	5	976
9	7.486	7.482	4	1870
10	3.664	3.661	3	1220
11	3.896	3.899	3	1300
12	4.879	4.882	3	1627
13	6.512	6.508	4	1627
14	5.625	5.621	4	1405
15	1.687	1.684	3	561
16	2.645	2.643	2	1321
17	4.225	4.223	2	2112
18	3.662	3.660	2	1830
19	2.679	2.676	3	892
20	5.602	5.605	3	1868

通过以上的成果检核分析，利用相对误差计算公式

Δ=实地丈量长度-模式量取长度 相对误差=Δ/模式量取长度

其中误差最大的为1/536，因此以上检核数据均满足精度限差要求，可提供设计单位作为设计所需要的工作底图。

8结束语

非量测型数码相机在地下墓室昏暗、光照不均匀的环境下，利用近景摄影测量技术可获得纹理清晰的彩色立面数据，然而同样的环境下，三维扫描仪通过点云数据获得的立面数据因光照影像造成局部过曝，或无光照区域无法获取纹理。近景摄影测量技术可满足精度要求，可被文物保护广泛应用。

7参考文献

[1] 高许岗,雍延梅. 无人机载微型SAR 系统设计与实现[J].雷达科学与技术,2014,12（1）:35-38.

[2] 张建霞，李少峰，宋兆斌．基于Canon-5D相机的高精度近景摄影测量研究[J]．测绘技术装备，2014(4)：5-8

[3]范陇强, 非量测数码相机的近景摄影测量技术分析[J].电子信息，2019.05

[4]吴超超,赵欣,变形监测点三维坐标获取系统[J].电子信息

[5]白洪伟，李进等，近景摄影测量在地下三维重建中的应用[J].沈阳大学学报。2016.06

[6] 李德仁,王树根,周月琴.摄影测量与遥感概论[M].北京:测绘出版社,2008.