倾斜摄影测量技术在大遗址保护中的应用

■ 王万忠 王光生

大遗址是我们祖先长期从事各类活动的历史遗存，是人类发展史的见证，它的历史价值体现在自身所携带的历史信息和对历史事实的真实展示，综合并直接体现了中华民族和中华文明的起源与发展，是构成中华五千多年文明史的主体和支撑。大遗址所蕴藏的历史信息极为丰富，在一定程度上反映当时社会的生产力发展水平、科技水平以及人类创造力等，具有很强的科学文化价值。通过研究大遗址，可以对古代的政治、经济、文化、外交等方面做出客观评价。我国历来重视大遗址保护工作，一直将其作为文物保护的重中之重，但大遗址地域广阔、布局复杂、信息量大、遗存丰富，具有不可再生的价值和不可替代的地位。

长期以来，大遗址数据获取主要以传统测量方式为主，包括人工测量、传统摄影等，由于地域广阔、环境复杂等特点，造成数据获取速度慢、效率低、准确度低等一系列问题，很多数据主要以量测为主，对后续规划和应用造成很大误差。本文针对以上问题，结合倾斜摄影测量技术的特点，说明该技术能有效解决当前大遗址保护中数据获取难度大、精度低等问题。其获取的DEM、DOM、三维模型等产品可以为后续的保护方式选择、方案设计、综合管理等提供思路和数据支撑，并能够对不同类型的遗址现状进行数字化保存和历史性存档，为以后的大遗址保护及规划提供科学依据。

一、大遗址保护现状

大遗址作为中华文明起源和发展的“物化载体”，是我国文化遗产的重要组成部分，也是建设文化强国的重要战略资源。早在20 世纪中期，我国就开始了对大遗址保护的实践探索，在最早的《中华人民共和国文物保护法》中就对文化遗址的保护条例做了详细介绍。20 世纪80 年代，现代考古学家苏秉琦首次提出“大遗址”的概念；20 世纪90 年代中后期，国家更加重视对大遗址的保护和利用，并提出对大遗址要采取法律形式保护；进入21 世纪后，《中国文物古迹保护准则》《大遗址保护“十三五”专项规划》等众多法令相继颁布，已经将大遗址保护上升为国家战略。近年来，随着经济水平的快速发展和社会民生改善需求的增强，以及当代城镇化背景下大遗址面临着各种破坏威胁，大遗址的保护受到国家、各级地方政府、业界、学界以及相关领域的高度重视。经过多年的实践探索和科学研究，我国在保护理念、保护方式、技术手段和综合管理等方面都取得了一定的成就。

大遗址的破坏主要包括自然和人为两个方面。相对于风雨侵蚀等自然因素，人为破坏因素在大遗址保护中产生更大的威胁。随着我国城市化进程不断加快，越来越多的大遗址被划进城市发展圈，导致区域化发展和大遗址保护的矛盾日益增加，保护难度不断加大。过去大遗址的数据获取手段主要以传统测量为主，无法及时制定有针对性的保护对策。例如，之前进行的齐长城保护前期勘察测绘工作就是采用人工卷尺测量、照相机摄影存档等技术手段，不仅需要大量的人力、物力，还需要很长的工作周期，且传统测量方式获取的数据存在不够全面、精度低等问题。

当前，世界范围内对于大遗址保护的理念不断更新，数据获取手段也在不断改进。在前期测量工作中，如何在不破坏遗迹本体及周围环境的前提下，快速高效地获取制定保护方案、项目实施、综合管理所需的数据，已成为国内外学者及业界相关人士的研究热点之一。

二、倾斜摄影测量技术

随着经济水平的提升和科学技术的进步，无人机测绘技术也得到了迅速发展。无人机倾斜摄影测量技术相较于传统三维建模方式，拥有低成本、高机动性、高效率、高精度的优点，弥补了卫星遥感技术等只能获取正射影像的不足。倾斜摄影测量技术通过多角度获取被测地物的纹理信息，为三维实景模型的构建提供充足的数据源，使快速自动构建大范围精细化模型成为可能。因此，倾斜摄影测量技术逐渐成为三维实景建模的重要手段之一，被广泛应用于国土资源管理、灾害评估、工程测量、地籍确权、土地规划、实景导航等各个领域。

倾斜摄影测量技术是近年来国际遥感领域新兴的一项高新技术，自2010 年引入国内后，得到突飞猛进的发展。该技术有效融合了近景摄影测量技术与航空摄影测量技术的优势，与常规航空摄影测量只能以垂直角度获取地面信息不同，它是通过在飞行平台上搭载单个和多个镜头相机，以及先进的坐标定位系统，能够从垂直、前视、后视、左视和右视五个不同角度采集影像及位置信息。通过后期数据处理，可制作生成4D 产品（DEM、DOM、DLG、DRG），并可以借助自动化三维建模技术，快速高效构建出具有准确地物地理信息的真三维空间场景，直观掌握目标区域内地形地貌与所有建筑物的细节特征，可为后期大遗址保护提供详细、准确、逼真的基础地理信息数据。

（一）倾斜摄影测量技术的流程

首先做好飞行前准备工作，包括明确遗址保护要求，确定遗址保护所需的成果类型、精度、规范等信息，如坐标系统、高程系统、数据格式等。在航测前实地考察遗址现场情况，根据现场的实际情况来确定飞行高度、速度等飞行参数，根据精度要求布设控制点，像控点的布设方式和数量会影响建模的精度。然后根据制定好的飞行参数以及航测计划，寻找合适的起飞点，对遗址区域进行航飞数据获取。外业航测任务完成后，将影像数据导出进行内业数据处理，运用相应软件进行空中三角测量，通常运用光束法区域网联合平差，将控制点数据与影像的POS 数据作为外方位元素的初始值进行联合平差，实现多视角影像空三解算。利用畸变改正后的影像数据结合空三加密成果，通过多视影像密集匹配技术生成密集点云，然后基于点云构建不规则三角网，最后通过纹理映射实现三维模型的构建。

（二）倾斜摄影测量技术在大遗址保护中的优势

倾斜摄影测量技术在大遗址保护中具有很大的优势，主要表现在三个方面。一是反映遗址真实情况并能够对遗址内地物进行测量。倾斜摄影测量所获取的三维数据可以真实反映遗址内地物的位置、高度、面积等属性，增强了三维数据所带来的真实感，很大程度上弥补了人工模型仿真度低的缺点，有效解决了三维数据的精度问题。二是性价比高。在传统的三维建模过程中，一旦出现数据错误，可能导致整个建模项目作废，而倾斜摄影测量技术大大减少了人为干预，很好地规避了这一缺陷；并且，通过该技术获取的影像通过后期处理能够同时输出DSM、DOM、DLG等多种数据成果，可为大遗址保护提供丰富、有效的数据支撑，有效降低了大遗址测绘中数据获取的成本。三是高效率。在倾斜摄影测量过程中，无人机代替飞行平台，技术人员可根据不同情况合理调节运动轨迹，利用软件进行数据处理，生成相关的三维成果，减少人工投入，节约测量时间。实验数据证明：一个中小型遗址的测量过程运用人工手段需要一两个月，而借助倾斜摄影测量技术只需要3 到5 天就能完成。

以倾斜摄影测量技术在齐长城遗址保护中的应用为例。齐长城遗址横亘于山东省境内，全长641.3 公里，其建筑特点是就地取材，走向随地形及地貌的变化而变化，其中泰山段更是地形复杂。由于地势险要、地形起伏大等原因，采用人工测量的方式很难完成该段齐长城的前期数据获取，因此采用倾斜摄影测量方式。但由于其特殊的地形条件，无人机航测也面临巨大的挑战。为了保证设备安全，并获取精确数据，本项目采用防地飞行的方式获取数据。通过后期数据处理，获取了齐长城的三维模型、三维点云、数字正射影像图、等高线等一系列衍生产品。通过这种方式可以实现对于整个齐长城的完整数据采集，避免人工测量的数据遗漏问题，提高了数据采集的精度，大大缩减了前期采集数据的时间，并且，获取的数字化成果可以更好地为后期保护规划方案提供有力的数据支撑。

三、产品及应用

大遗址保护是一项十分复杂的工程，不同地区、不同类型的大遗址存在不同的破坏类型，不可能制定统一的保护方案，而应根据遗址的具体情况采取相应措施。齐长城遗址泰安段由于其特殊的地理条件，利用倾斜摄影测量技术对其进行航测获取影像数据，通过数据处理衍生出一系列数字产品——三维模型、DOM、DEM、DLG 等，有效解决了人工获取数据难而导致的基础资料不足的问题，为齐长城遗址保护提供了有力的数据支撑和科学依据。

三维模型具有高精度、高分辨率、高清晰度等特点，可精确反映整个齐长城遗址的分布状况及周围环境状况，并能根据精确的坐标量测位置、距离、面积、体积等信息；在后期保护方案设计中，能充分体现遗址与环境保护的完整性和真实性；还可实现模型编辑，对保护方案进行VR 模拟，避免保护措施实施后达不到保护要求等问题，充分体现了“保护为主”“少干预”“可逆性”等文物理念与原则。

数字正射影像图（DOM）具有精度高、信息丰富、直观逼真等特点，能够为前期的大遗址现状调查提供大量信息，可以直接反映许多问题。同时，利用数字正射影像图作为规划底图，使规划内容和周边环境的关系更加清晰，在齐长城遗址保护的前期规划设计中发挥着重要作用。

数字高程模型（DEM）反映的是地形高低起伏（高程）信息，能够便捷地将其转换为等高线、透视图、断面图、坡度图等相关产品，对辅助判读大遗址的空间形态和结构特征具有明显优势。由于齐长城遗址主要依山建立，齐长城本体周边有大量的植被，通过其相关产品分析，有效避免了建筑、植被、水体等因素对地形的影响。齐长城遗址的保护与周围环境紧密相联，首先应考虑流水问题，尤其是地形复杂受到河湖及洪水威胁时，根据DEM 提供的齐长城遗址规模及精确的高程信息，可因地制宜地制定出合理的治水方案。

数字线划地图（DLG）是将一种或多种地图要素进行矢量化而形成的一种数据文件。其数据量小，便于分层，能够快速生成专题地图，因此也被称为数字矢量专题信息。齐长城遗址保护中所需的总平面图就是数字线划图，通过人工测量获取需要大量的人力、物力、时间等，利用航测三维模型进行数字化采集获取总平面图，则大大缩短了时间、降低了成本，并且在一些地形复杂、人工难以量测的遗址测量中发挥更大的作用。

结语

任何一个行业和领域的发展都离不开科学和实践的推动，大遗址保护也不例外。严格来讲，随着测绘技术在文物保护领域的不断发展，文物数字化逐渐成为文物保护工作中的研究热点，而将倾斜摄影测量技术应用到大遗址的保护更具创新性和先进性。利用该技术，可有效提高数据的准确性和全面性，尤其是在建筑复杂、地质恶劣和交叉跨越设施复杂的地区；还可获得地形图、精细三维模型、数字高程模型、数字正射影像图等一系列测绘成果，为大遗址的保护和修缮工作提供了丰富、精确的数据支撑。此外，三维模型能够通过数字化展示平台，实现面向用户的交互式展示，对实现文物资源共享、传播古老文明、展示优秀历史文化具有极其重要的意义。