无人机遥感在大型不可移动文物三维重建中的应用

于丙辰，陈 刚，段淼然，曹飞飞，张 笑

(1. 南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023; 2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023; 3. 江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023)

无人机遥感在大型不可移动文物三维重建中的应用

于丙辰1,2,3，陈 刚1,2,3，段淼然1,2,3，曹飞飞1,2,3，张 笑1,2,3

(1. 南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023; 2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023; 3. 江苏省地理信息技术重点实验室，江苏 南京 210023)

针对大型不可移动文物三维重建技术存在的困难，本文基于无人机遥感等平台，利用基于图片的三维重建技术，设计了一种低成本、简便高效、较高精度的大型不可移动文物的表面精细几何纹理获取与三维重建的技术流程，对建模中的技术问题进行了研究，并对其精度和实用性进行了评价。其结果较好地满足了文物测量的精度要求；为文物保护与展示等研究提供了新的思路，能全方位、近距离面向公众做三维展示；结果带有精确的地理位置信息，可作为三维GIS平台新的数据采集方法和数据源。

六朝陵墓石刻；无人机遥感；不可移动文物；三维重建；地理信息采集

无人机遥感具有结构简单、成本低、风险小、灵活机动、实时性强等独特优点，正逐步成为卫星遥感、有人机遥感和地面遥感的有效补充手段[1]。而微型无人机的普及使其应用更加广泛，成为三维空间数据采集的重要方法，如灾害监测[2-3]、工程测量[4-5]等。同时，以近景摄影测量和计算机视觉理论为基础的基于图片的三维重建在数字城市[6]、DEM获取[7]、石刻文物[8]等领域得到了较好的应用。

将无人机遥感与基于图片的三维重建相结合，被引入到考古、文物保护方面的文物数字化研究，如考古遗址[9-10]、古建筑[11-12]等的三维重建。而目前常用的激光雷达扫描、工业CT扫描等手段，存在仪器价格高昂、操作复杂、不易携带、对文物表面有损害等不便之处，在精度要求一般的文物保护领域存在一定困难。

南京六朝陵墓石刻历史悠久，具有很高的历史价值。其体型巨大，为不可移动文物。长期以来，野外环境下的石刻受风化、酸雨等自然侵害及盗拓等人为破坏，文物表面遭受一定损害。偏僻的位置也不便于普通民众参观游览。而三维重建模型可以保留文物原始样貌资料，同时可用作虚拟三维展示面向民众展览。但巨大的体型与文物保护的要求，使得其表面数据采集存在一定困难。

针对上述问题，本文基于无人机遥感等技术，以南京六朝陵墓石刻的优秀代表——萧景墓石刻为例，对其进行三维重建研究。

1 研究对象与技术

1.1 研究对象

萧景墓石刻全称梁吴忠平侯萧景墓神道石刻，位于南京市栖霞区十月村。原为石辟邪与神道柱各一对，现存西侧神道柱与东侧石辟邪，为国家文物重点保护单位。东侧石辟邪体长约3.8 m，宽约1.55 m，高约3.8 m，曾作为南京市标的主体图案。西侧神道柱是南京同类文物中保存最完好和最具有代表性的一尊，通高约6.5 m[13]。

1.2 无人机遥感与基于图片的三维重建

微型无人机具有体积小、价格低、性能较好的特点，被广泛应用于获取航摄数据。微型无人机具有空中悬停、变换镜头视角的功能，可以从低空对大型不可移动文物多角度拍摄，获取包含立体像对的影像图片。与数码相机不同，微型无人机具有惯性导航功能，拍摄的无人机影像带有精确的位置信息与外方位元素。影像的位置信息与外方位元素可提高三维重建中影像位置复原的效率与成功率，其重建结果也带有精确的位置信息，便于导入三维GIS平台处理与展示。本试验采用的微型无人机为大疆GL3000型。

基于图片的三维重建是指以计算机视觉、近景摄影测量理论为基础，利用地物的数码图像信息重建其三维结构的技术，并可为三维模型附加真实纹理，获得高还原度、高逼真度的模型。基于图片的三维重建综合了计算机视觉与近景摄影测量的优点，只需较少控制点甚至不需要控制点即可快速复原各个相片的空间位置，直接进行空中三角测量重建出物体的密集点云与纹理信息，然后可导出所需的三维模型。该方法简化了近景摄影测量的步骤，也弥补了计算机视觉方法缺少的精确地理位置信息[14]。

三维重建基于Smart3Dcapture(简称S3C)软件平台进行，它是法国Acute3D公司研发的基于图形运算单元GPU的快速实景三维重建软件，可以自动完成三维重建并生成带真实影像纹理的高精度三维模型，极大地方便了三维重建流程。

2 萧景墓石刻三维重建

2.1 技术流程

萧景墓石刻的三维重建流程包括野外数据采集、室内数据加工和模型处理3部分。通过野外采集数据获取石刻的无人机影像等数据；在室内数据加工过程中，利用所采集的像片数据构建三维空间点云，之后重建出研究对象的三维模型；最后对三维模型进行拼接、裁剪等后期处理。技术流程如图1所示。

图1 技术流程

2.2 野外数据采集

数据采集是三维重建的关键步骤，数据采集质量将决定三维重建的质量。在采集前应详细设计采集方案，使数据采集得到足够的立体像对和清晰的表面纹理，并确保数据采集的完整性。采集工具包括微型无人机、手持GPS、微单相机、红外测距仪等。微型无人机用于采集石刻上部和顶部等高度较高处的影像数据，同时采集整个研究区的航空影像数据用于制作DOM。微单相机用于采集石刻下部较低处的影像数据。手持GPS和红外测距仪用于测量布设工作。

数据采集方案如图2所示，按照不同高度环绕石刻来拍摄。其中地面微单相机采集3组，在可以获取全局整体影像的较远距离拍摄一组；在可以获取清晰表面纹理的较近距离拍摄两组，分别为较低高度(距地面约0.5 m)和较高高度(距地面约1.3 m)。每组环绕石刻设置8～16个拍摄点，保证相邻拍摄点有50%以上的重合度，在同一组拍摄过程中应使用相同的焦距。每个拍摄点按照不同的视角和方位拍摄多张照片，以获取足够的立体像对。在拍摄同时利用手持GPS采集摄点的位置信息。

无人机空中拍摄与地面微单相机采集类似，按不同的高度环绕石刻进行拍摄，利用无人机的悬停与镜头调向的功能，拍摄不同视角和不同方位的多张照片，同时保证相邻拍摄点间的重合度。对石刻顶部应详细拍摄，确保顶部数据采集的完整性。之后，拍摄研究区的航空影像，自某一边角开始，沿与某一边界平行的航线在研究区内往返拍摄，每隔一段距离悬停拍摄照片，并保证相邻照片重合度在60%以上，直至拍摄完毕。

图2 数据采集示意图

数据采集结束后，根据实际情况，应补拍一些照片，如外围无法直接拍摄的石辟邪腹部等位置。最后，用红外测距仪测量石刻基座的尺寸及两石刻间的距离等数据备用。

本试验共采集影像837张，其中石辟邪392张、神道柱278张、正射影像167张。

2.3 室内数据加工

室内数据加工包含影像数据预处理、三维重建软件处理和三维模型导出3部分。影像数据预处理将GPS采集的摄点位置信息赋予在该点微单相机拍摄影像的EXIF信息中。

三维重建软件处理是三维重建的核心部分，将采集的影像数据导入S3C中，S3C自动化程度很高，数据采集质量较好的情况下，使用默认设置即可。其处理过程先是复原相片位置与空中三角测量，利用照片信息及图像匹配算法将每张相片拍照时的位置、状态复原，并生成空间点云，可以根据点云生成结果，判断重建的效果。如果效果较好，则可生成带有精确位置信息、较高精度的三维模型。模型生成将消耗较多的显存和内存，需合理设置分块、纹理质量等参数，使效率最优。图3为所得结果。此外，还可以生成研究区DOM、DEM，作为基础地理数据。

2.4 模型后期处理

在石刻三维重建完成并导出之后，还需使用三维建模软件对模型进行拼接、裁剪、置平等后期处理。由于模型为分块导出，需要将不同的分块拼接起来；模型四周的无关区域或不规则边界应裁切掉；为便于展示，模型应通过置平来保证水平。

图3 三维重建结果

通过以上技术流程，获得最终的三维重建结果。理论上，仅需两个工作日即可完成约10 000 m2范围及两座石刻的数据采集与三维重建工作。

3 问题与评价

3.1 技术问题研究

在三维重建过程中，会出现空间点云分为多部分、模型孔洞等问题，本文对上述技术问题进行了研究解决。

空间点云分为多部分多因数据采集时相邻影像未保证一定的重叠度而造成。可以通过添加Tie Point(联结点)解决，Tie Point是指不同影像可以互相匹配的点，从而将照片联结起来。添加时，确认模型分为几部分，尽量在各部分间联结。设定完之后重新生成点云，若仍有错误则重新添加，直至获得较好结果。

模型孔洞多发生于数据采集不完全的部位，在无法重新采集的情况下较为麻烦，多利用三维建模软件对其进行修补。孔洞较大难以修补时，则应重新生成。

3.2 精度评价

本文技术流程的三维重建文物精度较高，文物表面的细小花纹、碑面文字都可以很好地完成重建。选取相对规则的神道柱基座作为典型区，利用软件反复量测，精度评价报告见表1。

表1 三维重建结果精度评价报告

由表1可知该重建结果的相对精度可达1∶700～1∶1600之间，可较好地满足文物研究的需求。

3.3 实用性评价

通过与激光雷达扫描的数据采集方式[15]进行对比，从采集工具、流程、效率、精度、成本等角度对本文的技术流程的实用性进行评价，结果见表2。

表2 三维重建技术实用性对比

由表2可知，与激光雷达相比，本文的技术流程具有工具轻便、灵活性高、操作简单、成本较低、数据处理流程简单及对文物无危害等优点。同时，本技术流程存在数据精度较低、受天气限制、采集效率较低等缺点。但是相对所花费的成本，本研究的精度、采集效率具有极高性价比。

4 结 语

本文利用微型无人机等工具以南京六朝时期萧景墓石刻为例对大型不可移动文物的三维重建进行了研究，对其中的技术难点进行了讨论，并对其精度和实用性进行了评价。得出以下主要结论：

(1) 提出了一套完整的针对大型不可移动文物的精细表面几何与纹理数据采集，以及三维重建的技术流程。该技术流程具有成本低廉、灵活易操作、数据处理流程简单、效率较高和对文物无破坏等优点。

(2) 为大型不可移动文物保护、研究与展示提供了新的研究思路。三维重建结果精度较好地满足了文物研究需求，且更加便捷。同时精细的纹理贴图具有逼真的展示效果，满足了公众参观的需求，并可以全方位近距离欣赏。

(3) 可作为三维GIS平台新的数据采集方法和数据源。该流程重建的三维模型带有精确的位置信息，可直接导入三维GIS平台中使用，作为虚拟地理环境展示的数据源。

在三维重建过程中，仍存在模型贴图出错、模型孔洞等问题，目前多采用修补方法，进一步的研究中，将从数据采集方面探究其原因，对其进一步解决。

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[15] 彭莉.地基和机载激光雷达数据处理关键技术及应用研究[D].成都：电子科技大学,2015.

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，陈刚，段淼然,等.无人机遥感在大型不可移动文物三维重建中的应用[J].测绘通报，2017(5)：43-46.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0151.

2016-09-30；

2017-01-22

国家自然科学基金(41271160)

于丙辰(1993—)，男，硕士生，研究方向为GIS分析。E-mail:1326656117@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0043-04