黃北生 王云凱

(江蘇省地質(zhì)測繪院, 江蘇 南京 211102)

0 引言

文物作為人類歷史文化遺產(chǎn),是人類創(chuàng)造的且不可重新創(chuàng)造的人類社會活動的遺物、遺跡[1]。隨著時間的推移,許多處于室外的文物受到了自然侵蝕或人為破壞[2]。文物數(shù)字化數(shù)據(jù)作為文物存檔重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在文物的管理和修繕中有著重要的支撐作用[3]。傳統(tǒng)的利用全站儀、測距儀等文物數(shù)字化方法,雖然能夠精確地測量文物圖件數(shù)據(jù),但也存在著工作量大、文物表面細(xì)化程度不夠、復(fù)雜區(qū)域采集困難等問題。

隨著科技的發(fā)展,新的技術(shù)如傾斜攝影、貼近攝影測量、三維點云等技術(shù)被應(yīng)用到文物數(shù)字化工作中。文獻(xiàn)[4]通過制定不同的數(shù)據(jù)采集方案,將傾斜攝影測量應(yīng)用到了古橋、古村落數(shù)據(jù)采集的中;文獻(xiàn)[5]將貼近攝影測量技術(shù)應(yīng)用到巖畫的高精度、三維數(shù)字化工作;文獻(xiàn)[6]基于點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)了文物復(fù)雜表面的高精度表達(dá)。然而,各種新技術(shù)也有其一定的局限性,傾斜攝影在復(fù)雜區(qū)域或帶檐文物數(shù)據(jù)采集時,往往存在視角盲區(qū),導(dǎo)致模型出現(xiàn)拉花、扭曲等現(xiàn)象[7-8];貼近攝影測量具有航線規(guī)劃復(fù)雜、飛行操控要求較高等問題;三維點云技術(shù)存在著文物上部點云獲取困難、無紋理信息等問題[9]。

本文以南京市棲霞寺舍利塔為例,提出一種結(jié)合傾斜攝影、貼近攝影測量和地面三維點云的多源數(shù)據(jù)復(fù)雜區(qū)域文物三維模型建設(shè)方法。該方法以傾斜攝影為控制基礎(chǔ),結(jié)合貼近攝影測量和地面三維點云數(shù)據(jù)融合處理,以得到更為精細(xì)、美觀的文物三維模型。

1 多源數(shù)據(jù)融合及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源數(shù)據(jù)融合是起源于軍事應(yīng)用角度的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)[10]。該技術(shù)通過多角度、多層次的處理過程,運用多源數(shù)據(jù)檢測、關(guān)聯(lián)、組合等操作,實現(xiàn)狀態(tài)判斷、身份辨識、態(tài)勢評估等高精度評價。多源數(shù)據(jù)的融合過程主要包括多傳感數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、融合計算、融合數(shù)據(jù)輸出等過程[11]。數(shù)據(jù)融合層次分為數(shù)據(jù)級融合、決策級融合和特征級融合[12-13]。本文采用傾斜攝影、貼近攝影測量和地面三維點云數(shù)據(jù)融合,依據(jù)各融合層次分類特點,采用數(shù)據(jù)級融合的方式進(jìn)行,數(shù)據(jù)級融合流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)級融合流程

1.2 多源數(shù)據(jù)三維建模關(guān)鍵技術(shù)

基于1.1 的分析,基于多源數(shù)據(jù)融合的三維模型建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、空間融合、數(shù)據(jù)信息融合、成果輸出等。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理是對各單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行的常規(guī)數(shù)據(jù)處理,為數(shù)據(jù)融合做準(zhǔn)備;空間融合是對各數(shù)據(jù)源進(jìn)行統(tǒng)一的空間配準(zhǔn),形成位置信息的融合;數(shù)據(jù)信息融合是對空間融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,生成完整的、精細(xì)的三維模型。

1.2.1 空間融合

多源數(shù)據(jù)空間融合最主要的方法是將各數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一[14]。本文涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)一包括傾斜攝影與貼近攝影測量的坐標(biāo)統(tǒng)一和攝影測量與點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一兩個方面。

相對于傾斜攝影測量貼近攝影測量主要具有沿被攝物體的表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相機(jī)角度隨物體表面調(diào)整的特點[15]。因此,為保證傾斜攝影和貼近攝影測量能夠進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一,本文從兩個方面進(jìn)行設(shè)計：

(1)統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選用帶有云臺的攝影相機(jī)為影像數(shù)據(jù)采集設(shè)備,數(shù)據(jù)采集具有相同的相機(jī)、相同的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)接收設(shè)備、相同的慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)設(shè)備和相同的數(shù)據(jù)采集坐標(biāo)系。

(2)像控點布設(shè)。通過在采集區(qū)域布設(shè)像控點的方式,實現(xiàn)兩者在進(jìn)行建模時的統(tǒng)一。

(1)

式中,R為旋轉(zhuǎn)矩陣;T為平移矩陣;α、β、γ為各旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角。

1.2.2 信息融合

基于多源數(shù)據(jù)的信息融合如圖2所示。

圖2 多源數(shù)據(jù)信息融合

首先對傾斜攝影、貼近攝影和地面三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,分別得到影像數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)。其中,傾斜攝影與貼近攝影通過控制點進(jìn)行融合空三計算,進(jìn)一步得到密集點云。地面三維原始點云通過預(yù)處理,并結(jié)合控制點進(jìn)行點云配準(zhǔn)。然后,將配準(zhǔn)后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、裁切等得到融合區(qū)域點云。將生成的密集點云與地面三維點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精配準(zhǔn),得到融合后的點云數(shù)據(jù),然后進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network,TIN)的構(gòu)建、紋理映射和三維重建。

2 應(yīng)用實例

2.1 環(huán)境概況

棲霞寺舍利塔位于南京市棲霞山中峰西麓棲霞禪寺東,是中國最大的舍利塔,該石塔為五代南唐(937—975年)重建。舍利塔為密檐式,五級八面,自下而上分為塔座、塔身和塔剎3部分,通高18 m。該塔周圍環(huán)境較為復(fù)雜,北面臨近高約12 m的建筑;東面為山體,帶有較高樹木;西側(cè)為院門;南面較為開闊,但臨近樹木枝葉較為繁茂[16]。同時,該區(qū)域游客絡(luò)繹不絕,較狹窄范圍內(nèi)聚集了大量人員,不利于數(shù)據(jù)的采集。舍利塔周圍環(huán)境見圖3。

圖3 舍利塔環(huán)境圖

2.2 傾斜攝影采集

本文傾斜攝影測量既作為舍利塔上部信息采集數(shù)據(jù),也兼有區(qū)域控制的作用。本文采用大疆精靈4實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量的數(shù)據(jù)采集。采用“#”字型飛行設(shè)計,航向重疊度和旁向重疊度都設(shè)置為80%,基于周圍環(huán)境因素,云臺傾角設(shè)置為“-60°”,航攝高度為50 m。傾斜攝影航線如圖4所示。

圖4 傾斜攝影航線

2.3 貼近攝影測量

由于環(huán)境限制,此次貼近攝影測量無法采用環(huán)形航線規(guī)劃的形式進(jìn)行。因此,本文貼近攝影測量采用手動控制無人機(jī)進(jìn)行拍攝的方式進(jìn)行。為保證飛行安全,將飛行自上而下分為兩個部分進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集上半部分,定位系統(tǒng)信號影響較弱,且對地面人員安全影響較小,數(shù)據(jù)采集沿著舍利塔八個角從上到下每隔1 m拍攝照片,拍攝角度分別為30°、15°、0°、-15°、-30°或者根據(jù)實際情況更改拍攝角度。數(shù)據(jù)采集下半部分,既要考慮信號影響,又要注意人員安全,因此,數(shù)據(jù)采集沿著舍利塔八個角從上到下每隔2 m拍攝照片,拍攝角度分別為30°、15°、0°、-15°、-30°或者根據(jù)實際情況更改拍攝角度。同時,依據(jù)部分可能出現(xiàn)漏洞的地方進(jìn)行了補(bǔ)拍。貼近攝影測量數(shù)據(jù)采集見圖5。

圖5 貼近攝影測量

2.4 三維點云數(shù)據(jù)采集

本文三維點云數(shù)據(jù)采集采用徠卡RTC360 LT掃描儀,該設(shè)備采用波形數(shù)字化技術(shù)(wave form digitizer,WFD),掃描范圍0.5～130 m,掃描速率100萬點/s。同時,在舍利塔周圍布設(shè)了8個控制點,即為點云拼接的公共點,也是多源數(shù)據(jù)融合的控制點。

3 模型建設(shè)結(jié)果與分析

3.1 單一數(shù)據(jù)源模型效果分析

基于傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行模型建設(shè),對舍利塔頂部構(gòu)造表達(dá)較好。但對于舍利塔底部構(gòu)造和雕刻分辨率較低,同時對于舍利塔檐下細(xì)節(jié)無法進(jìn)行模型建設(shè),出現(xiàn)檐下扭曲變形等現(xiàn)象。

貼近攝影測量能夠獲取分辨率較高的舍利塔側(cè)面和檐下構(gòu)造紋理信息。但由于數(shù)據(jù)采集環(huán)境的限制,導(dǎo)致部分區(qū)域照片重疊度不夠,模型部分細(xì)節(jié)紋理信息較弱、模型有粘連現(xiàn)象。

點云數(shù)據(jù)采集中,由于數(shù)據(jù)采集方式的限制和舍利塔本身結(jié)構(gòu)的遮擋,導(dǎo)致舍利塔部分區(qū)域無法采集到點云數(shù)據(jù),出現(xiàn)模型空洞。

3.2 多源數(shù)據(jù)融合的精細(xì)化模型建設(shè)

本文采用Contextcaptur軟件進(jìn)行多源融合的精細(xì)化模型建設(shè)任務(wù)。首先將采集的傾斜攝影照片和貼近攝影測量照片通過控制點進(jìn)行融合空三技術(shù)得到密集點云,然后導(dǎo)入地面點云數(shù)據(jù),通過構(gòu)建和優(yōu)化TIN網(wǎng),進(jìn)而生產(chǎn)三維模型白模和進(jìn)行紋理映射,得到多源融合的精細(xì)三維模型。

3.3 模型效果對比分析

為對比分析多源融合精細(xì)化模型的效果, 本文從模型完整性、檐下模型、模型空洞、模型紋理細(xì)節(jié)等方面進(jìn)行對比,模型完整性對比如圖6～圖9所示。

(a)傾斜模型

(a)傾斜模型

(a)傾斜模型

(a)傾斜模型

由以上對比可知,多源融合精細(xì)化模型能夠完整地建設(shè)出舍利塔完整的模型,對于檐下扭曲變形、模型粘連、模型空洞等問題也能很好地解決,同時該方法能夠更好地表達(dá)文物紋理信息。

4 結(jié)束語

本文采用了基于傾斜攝影數(shù)據(jù)、貼近攝影測量數(shù)據(jù)和地面三維點云數(shù)據(jù)的空地多源數(shù)據(jù)融合精細(xì)建模技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜區(qū)域文物三維模型建設(shè)。試驗結(jié)果表明,多源融合精細(xì)化模型可有效解決單一數(shù)據(jù)源模型存在的扭曲變形、模型粘連、模型空洞等問題,同時能夠更為精細(xì)地表達(dá)文物表面紋理,能夠為文物數(shù)字化提供更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)。