左江花山岩画综合数字信息采集与分析研究

欧波　朱秋平　胡鹏程　王顾　王少华　胡庆武　叶雪峰　游炜侃　莫志东

摘要：广西左江花山岩画数字化记录与应用研究项目，综合运用现代测绘地理信息技术及计算机技术，全面采集左江花山岩画数据并尝试多种创新性技术。采用的无人机航测、数字近景摄影测量、三维激光扫描、全景影像等现代科学技术，快速、准确、完整地采集岩画精确空间数据、纹理数据等；并采用三维技术对岩画进行三维建模仿真，构建了一个服务于岩画研究、保护和展示的信息系统。所获得的成果进一步补充、完善和修正了前人在岩画记录上的不足，为岩画的研究、保护、展示、申遗等工作提供了精准的基础数据保障。

关键词：左江花山岩画；岩画数字化记录；岩画信息采集

一、背景与目的

从20世纪50年代开始，学者们对左江流域岩画先后进行过五次较大规模的考察和调研，共发现岩画点八十余处，并进行了相关研究，取得了一系列科研成果。受限于当时的仪器设备和技术手段，前人多采用传统的岩画调查方式和记录方法，对于距离较近的岩画，除拍照外，主要依赖于手工临摹来获取基本的岩画信息。而对于一些距离较远、位置偏高且无法近距离观察的岩画，通常采用远景长变焦镜头拍摄来获取画面形象。尤其是岩画的具体尺寸，更多是靠估量来完成，在出版发表的书籍和文章中大量出现“约”“大约”等词，调查和记录的最终结果与实践情况存在一定差距。随着现代科技的进步，各种先进技术正广泛运用于文化遗产的记录、监测、保护、利用等各个方面。随着岩画学科的研究不断深入和公众对岩画艺术关注的日益增强，有必要广泛且深入地开展高新技术在左江花山岩画的应用及成果开发工作。

在广西壮族自治区文物局的指导下，与宁明县文管所、广西民族博物馆共同合作，武汉数文科技有限公司开展了广西左江花山岩画数字化记录与应用研究工作，目的在于综合应用现代测绘技术对左江流域重要区域岩画开展科学系统的信息采集，进一步补充、完善和修正前人在岩画记录上的不足，为当前岩画科学研究工作提供精确数据依据。

二、数据采集与难点

（一）实施范围

广西崇左市宁明县和龙州县境内24处岩画。顺着江水流向，岩画排列如表1所示。

（二）主要内容

灵活利用多旋翼无人机、三维激光扫描仪、高清数码相机、全站仪等设备开展外业工作，运用无人机航测、数字近景摄影测量、三维激光扫描、全景影像等技术采集宁明、龙州县域内左江沿岸的24处岩画点基础数据，完成岩画空间信息、纹理、影像及周围环境信息采集，获取岩画准确三维彩色点云及高清岩画图像等数据。点云数据精确度控制在毫米级；制作岩画高清正射影像；获取岩画所处自然环境地面720度全景影像；获取岩画所处自然环境空中720度全景影像；建立三维数字模型及动画场景；制作黑白岩画数字拓印；制作岩画高清宣传视频；开发左江花山岩画数字成果综合信息管理系统等。

（三）技术难点

1.岩画分布范围广，画面位置高：左江花山岩画延绵分布在连亘左江数百公里的崖壁上，本项目中宁明至龙州境内岩画分布河段长约58公里。岩画画面大多分布在距离水面15-100米之间，最高可达130米。其中规模最大的宁明花山岩画，崖壁高达250米，画面距江面约15-110米，其19组图像中最大的一组画面宽41.45米，高34米，面积约1409平方米。独特的岩画分布情况，在客观上给基础数据采集工作带来相当大的难度。

2.岩画所处地形复杂：岩画所处崖壁面临江，大多处在河道拐弯处，画面方向总是面向江水来向；作画崖壁多选平整、基本垂直于地面或上部外突下部内凹者；多数崖壁下方植被密集，部分画面有遮挡情况。复杂的地形为外业工作场地要求平稳、采集画面必须无遮挡以保证采集数据的稳定性和完整性带来非常大的干扰。

3.无人机起降及摄影距离问题：左江江面宽度不均，最宽处可达200米，最窄处几十米，只有部分岩画所处崖壁的对岸有平缓台地，缺少仪器架设及无人机起降安全作业场地；无人机续航时间有限，江面宽度过大使得无人机与山体距离较难把握，容易出现撞机情况；在江面的船舶甲板上作业时，地面全景影像等因水流影响无法稳定采集，无人机起降存在一定安全隐患；空中摄像及720度全景影像采集工作中，无人机与山体距离过远或过近都会影响后期成像质量，如何稳定保证最佳摄影距离也是难点之一。

4.目前摄影测量影像处理需要相机标定参数、影像数据、影像pos数据和控制点数据。因岩画所处环境特殊，项目实施过程中相机必须使用变焦镜头才能保证影像清晰度，无法实现相机标定。受现场复杂环境影响，无人机的影像数据采集工作均为手动操控，无法获取影像pos数据。后期数据制作中需要解决在无相机标定参数和影像pos数据的情况下制作岩画立面正射影像图的问题。

（四）实施方法

1.外业控制点布设：由于岩画所处崖壁均临江而立，画面区域分布高，山脚下无合适区域进行站点布设，技术人员只能在河对岸进行全站仪设站打点。为保证每一个控制点位置准确、精准，使用后方交会方式在对岸设站，对岩画区域1 0米×1 0米的范围以2米为点间距单位进行均匀布设25个控制点，并且直接在高清照片上制作电子点之记以存档，作为后期处理数据的依据。

2.三维激光扫描仪数据采集：选取三维激光扫描仪RIEGL VZ-400对岩画进行扫描获取点云数据。该设备简洁轻便，每秒可发射最高300，000点纤细激光束，提供0.0005度角分辨率，最远射程600米，单次扫描精度为3毫米，多次扫描精度可达2毫米。项目组成员在距离岩画山体对面江岸边扫描，获取高精度点云数据。

3.无人机航测：此项工作使用了2架八旋翼无人机，搭载Canon 5D MAX3高清相机和高清摄像机。作业时遥控无人机飞至距岩画山体约15-25米处悬停，按照设计好的航向并保持所拍画面有80%重叠度，开展岩画近景摄影及景观视频拍摄，获取岩画和山体的正摄影像及高空环境俯视影像。如在龙州县的棉江花山岩画点，航测过程采用无人机按照航向重叠80%、旁向重叠60%标准进行近景摄影测量，仅此处一个点共采集256张高清影像数据。

4.空中、地面全景数据采集：采集设备采用佳能5D Mark川相机机身和佳能EF 8-15mm f/4L USM鱼眼镜头，搭载有无人机和地面两种平台。拍摄时调整好景深和曝光度，同一组相邻照片之间有30%重叠度。

地面全景拍摄作业时提前详细勘察现场设置扫描站点，挑选有针对性、能体现全局效果的区域进行拍摄。拍摄时对焦环、焦距根据实际情况进行调整至清晰并固定，直至当前站点全部拍摄完毕。ISO必须调至相机最低值，光圈曝光时间和景深调整以图片的最佳显示效果进行调整。全景拍摄水平方向每隔一定角度拍摄1张，保证相邻照片有20%-25%重叠度，顶部及底部再各拍摄1张。1个拍摄站点共完成3组及以上不同曝光值全景拍摄（高反差等情况采用）。

空中全景拍摄中机身挂载在云台上，相机镜头根据与岩画距离采用24mm平面镜头。无人机被遥控飞至最佳位置进行悬停，以水平角度每间隔30度拍一张的频率旋转一周进行拍摄；完毕后遥控云台向下倾斜20度，按如上方式再拍第二圈；第三圈拍摄也采用同样操作方式。最后调整相机镜头垂直向下，旋转无人机拍摄约10张照片即可。

三、数据处理及成果

（一）岩画本体正射影像图

外业航测获取的所有数据，后期在计算机里对原始影像进行特征提取、匹配、平差、定向、投影、纠正等处理最终得到具有高分辨率、可量测的花山岩体正立面正射影像。数据通过利用GodWork（无人机摄影测量数据自动处理系统）智能化畸变改正，通过采用统一单位、参数连续变化等方法计算初始参数，纠正无人机像片畸变，最大程度上减少误差；进行航片空三处理，基于显著性检验和预平差的GPS误差参数单元划分方法，自动判别误差参数单元。进行控制网的相对定向处理之后，加入前期采集的岩画控制点数据并入网中进行GPS绝对定向，赋予相片以绝对坐标信息。采用三维激光点云为控制点构建正摄影像与控制点的几何关系模型，通过后方调绘原理求解影像外方位元素，获取高精度正摄影像。再对正射影像之间进行色调、灰度值进行调整处理，最终输出1：20岩画本体正射影像航测比例图。

（二）地、空720度全景图像

地面和空中所采集图片数据在计算机里用ptgui等软件进行全景拼接、切片，运用pano软件对输出图像裁剪进行缝补对接，并加载到后续软件中融合处理，最终生成360度地、空全景影像。

具体实施步骤如下：

（1）拍摄连续性照片：由于拍摄全景图像无法一次将360度场景拍摄完整，所以必须分多角度依序旋转且一张一张的拍摄下来，重叠部分至少55%以上，这样的连续照片才有缝合的空间。

（2）传输到电脑：方法有三种，影像档案、数码相机、扫描仪。

（3）影像缝合：它必须经过对齐、变形及混合三道程序来执行。

（4）调整个别照片的效果：若觉得照片之间的差异度颇大，要进行人工单张的调整，直到满意为止。

（5）全景图输出：制作好的全景图可以保存后通过本地全景浏览器展示或者制作网页供人浏览。

（三）岩画本体三维交互模型

通过三维激光扫描仪获取的花山岩画山体点云数据则导入点云预处理软件进行拼接、赋色、删噪等处理，导出.xyz格式数据到Geomagic中进行去除体外孤点、减少噪点、统一采样、封装等操作，最终生成能够真实反映岩体表面形态的三维模型。

纹理映射处理环节则将三维模型导入到3 DMAX中对模型的UVW进行编辑，展开模型的UV线导出到Photoshop中与无人机航拍所获取的高清正射影像精确配准，并在3D MAX材质编辑器中将带有UV线的图片贴图赋予三维模型，从而生成具有真实色彩的岩画山体三维模型。将具有真实色彩的花山模型导入三维游戏引擎，定制化编制程序脚本，实现具有体验效果的三维可视化展示程序，最终在U3D中生成.exe格式的三维交互系统。

（四）岩画黑白数字拓印

将彩色正射影像图片加载至Photoshop中对目标图像进行手动准确勾勒，确保无误后再将图片进行特效处理，彩色图像转成灰度图，消除光照不均，将连续色调图像转换成非连续色调图像后去黑白颗粒，最终生成黑白数字图形拓印。

（五）景观视频

后期在计算机上对无人机所采集的原始视频素材进行了合理剪辑和处理，结合研究人员编排的脚本。从多角度、多方位直观展示岩画及岩画所在区域景观风貌。

（六）左江岩画数字成果综合信息管理系统

在获取多种数字化成果后，为能够更好地管理和展示成果，将多源数据集成到成果三维GIS管理与展示软件，是不可缺少的环节。此左江岩画综合信息管理系统，采用B/S模式，以左江岩画的24处岩画点为载体建立详尽的数据库架构，对所包含岩画点的空间地理分布和尺寸、岩画立面、岩画山体所处场景等基本资料以及有关的文本、图形图像、高清视频等信息进行可视化动态管理，能够方便地进行分层或综合显示、查询、模拟各类数据信息。

四、重点成果分析

本次项目所有成果按类型可按如下表格进行表述，下面将对重点成果进行分析。

（一）岩画本体正射影像图分析

1.测量精度对比分析

因左江花山岩画是在凹凸不平的悬崖上进行绘制，通过传统的拓印方法可以获得较为准确的两点之间最短的岩面距离，而通过制作的正射影像图可以非常准确地测量岩画本体任意两点之间的空间直线距离。

总结两组数据对比，如下表所示：

由此可以分析出：

（1）传统拓印的测绘精度为厘米级，而通过正射影像图测绘的精度可以达到毫米级；（2）同一个岩画，两者之间的测量数据不一致，且测量数据差额因测量距离变大而变大，符合其空间关系。因此，以正射影像图为基础的测量数据准确度及精确度都非常高，为岩画的研究、保护、展示、复原等工作带来了大量准确的基础数据依据。

2.岩画面积测算分析

通过获取的基础数据，在Golbal Mapper软件上对某个封闭区间进行面积测算，可获得某个岩画本体的面积。

该成果创造性地提供了岩画本体准确的面积测算方法，为整个左江花山岩画的规模定量、复原等研究提供了详实的基础数据支撑。计算方法如下：

把拓片黑白tif或者ipg格式图片在Photoshop里面转换成矢量线数据；把导出的矢量数据在Al软件里面导出dwg格式数据；把dwg格式数据在ARCGIS里面转成可用的shp格式数据；在ARCGIS软件中把shp格式的数据和带坐标的正摄影像数据用添加控制点的方法进行配准；配准后把数据导出来；数据导出来后再在ARCGIS软件中指定坐标；最后再在ARCGlS软件中统计面积。

（二）地、空720度全景照片分析

应用全景拍照技术，对岩画点的地面及空中拍摄全景影像数据，再经由后期数据处理获得720度全景照片，全景照片清晰、曝光适中、色彩偏差少、站点设置合理，能良好反映岩画区域环境，可以从任意视角欣赏广西左江花山岩画文化景观。

（三）黑白数字图形拓印分析

传统岩画拓印方法受限于现场环境，导致难度大、过程复杂、易损坏岩画本体。岩画电子拓片主要是在岩画正射影像图的基础上，进行手动勾勒，确保无误后再将图片进行特效处理，最终生成黑白数字图形拓印。运用该技术方法获得的成果真实准确，完整无缺失，在解决了传统拓印方法难点的基础上，体现了岩画的整体性。

五、总结

本项目综合运用现代测绘地理信息技术及计算机技术全面采集左江花山岩画数据并尝试多种创新性技术，其中的无人机航测、数字近景摄影测量、三维激光扫描、全景影像等技术相结合，解决了多项技术的壁垒。工程实施过程中对实施难点进行了技术革新，成果精度高，影像清晰，数字化展示系统全面高效。所获得的成果为岩画的研究、保护、展示、申遗等工作提供了精准的基础数据保障。

1.数据质量和数据获取效率得到显著提高，为科学研究和保护、提供有力数据支撑。无人机与三维激光技术运用到岩画影像及空间数据获取中，取代传统拍摄与测绘方法，提高成果质量，达到快速、安全、高清晰度、高精细度的效果。这两种方法的结合方便有效、用途广泛，尤其利于在类似左江花山岩画这种复杂地形下的数据获取。数据数值准确率突破了以往测量精度，精确度提高至2-5毫米。海量的真实原始数据，为岩画研究、修复还原及其他文物保护工程提供直观可靠的数据依据。

2.数据更全面完整，左江花山岩画更形象直观，丰富左江花山岩画文化遗产的宣传与传播。长期以来对于左江花山岩画的可视资料图大部分停留在二维平面资料或者文字记录资料上，能提供的信息非常有限。通过无人机拍摄、三维激光扫描、全景影像等技术的融合，扩大了岩画的宣传广度与深度，更加直观、全面、准确地表达了左江花山岩画文化遗产。同时，对无人机获取的影像数据进行科学处理与加工，可对左江花山岩画进行完整、直观的可视化还原，全方位展示左江花山岩画现状。通过正射影像等数据，结合地形图、三维场景纹理图片，利用地物模型数据和岩画模型数据，可在应用系统平台下进行三维虚拟展示。同时，还可利用三维激光扫描仪测量的岩画表面的三维激光点云数据构建岩画真彩色三维模型，重点实现岩画部分的三维重建及动画制作。通过逆向工程软件及输出技术，还可复原岩画缩尺或全尺寸实体模型。大量的高清影像，也为岩画专题陈列、岩画虚拟博物馆的建立提供基础素材，积极助力左江花山岩画文化遗产的传播。

3.推动左江花山岩画保护工作的现代化进程。三维激光扫描测量、三维建模、虚拟现实、无人机航测、计算机等各类数字化、可视化技术的综合运用，提高了左江花山岩画保护工作的科技含量，促进了左江花山岩画保护工作向着高科技、现代化发展，同时随着应用集成软件系统的实用化程度不断提高，左江花山岩画的数字化保护和展示传播也将会进一步向精确定位、海量数据存储和远程信息服务的方向发展。