多源数据融合建模技术在考古发掘现场数字化中的应用_姚维琛.pdf

第 39 卷第 2 期2023 年 6 月测 绘 标 准 化Standardization of Surveying and MappingVol 39No 2Jun 2023收稿日期:2022 10 31第一作者简介:姚维琛，工程师，现主要从事遥感与地理信息技术研究及应用实施。多源数据融合建模技术在考古发掘现场数字化中的应用姚维琛谢卫杰(陕西天润科技股份有限公司陕西西安710054)摘要:为了更加科学地实现考古发掘现场的数字化和可视化展示，更好地进行考古发掘过程记录，以及便于考古成果的应用分析，本文面向元代某壁画墓发掘现场，利用倾斜航空摄影、地面近景摄影和三维激光扫描技术获取多源数据，并研究基于多源数据融合的考古发掘现场三维数字化场景建立的技术方案。方案利用激光点云数据创建三维模型，利用影像数据进行模型纹理贴图，实现了考古发掘现场地上地下空间的高精度、高质量的实景模型构建。关键词:考古发掘现场;三维模型;联合建模;空地一体;地上地下空间中图分类号:P208DOI:10 20007/j cnki 61 1275/P 2023 02 16Application of multi-source data fusion modeling technology in the digitization ofarchaeological excavation siteYAO Weichen，XIE Weijie(Shaanxi TIAIN Science Technology Co，Ltd，Xian，Shaanxi 710054，China)Abstract:In order to realize digitization and visualization display of archaeological excavation site morescientifically，record the archaeological excavation process better，and analyze the application of the ar-chaeological results，this paper aims at the excavation site of a mural tomb in the Yuan dynasty，obtainsmulti-source data fusion by using oblique aerial photography，ground close-range photography and 3Dlaser scanning technology，and studies a technical scheme to create a 3D digital scene of the archaeologi-cal excavation site based on multi-source data fusion This scheme uses laser point cloud data to create a3D model，and uses image data to carry out model texture mapping，which realize the construction of high-precision and high-quality real scene models for the ground，underground，indoor and outdoor at thearchaeological excavation siteKeywords:archaeological excavation site;3D model;joint modeling;aerial-ground integrated;ground andunderground space倾斜摄影测量是以飞行平台为载体，搭载多个传感器，多角度、多方位地采集地物影像数据，利用计算机视觉技术及摄影测量算法解算 POS 数据，自动实现影像匹配。然后，提取点云数据，建立不规则三角网，并通过算法挑选最佳的影像纹理映射在三角网对应的位置生成实景三维模型，真实反映地物场景1。无人机倾斜摄影具备高效率、低成本的特点，被广泛应用。近景摄影测量通过摄影的方式来确定地形之外的地物外形、运动和形态2。传统的近景摄影测量第 2 期姚维琛，等:多源数据融合建模技术在考古发掘现场数字化中的应用设备分为量测摄像机和非量测摄像机，其中，量测摄像机光学畸变小并且可以记录内外方位元素，非量测摄像机一般是指普通照相机。随着技术的快速发展和推广，数字近景摄影测量已经实现了利用高分辨率单反数码相机作为地面影像的获取平台，通过计算机视觉技术及摄影测量算法实现影像的外方位元素解算，进而构建精细三维场景模型。三维激光扫描技术又称为“三维实景复制技术”，通过扫描可以得到被测物体表面的反射强度和颜色信息，生成空间三维点云3。三维激光扫描突破了传统单点测量的方法，具有高效率、高精度的优势，可以获取高精度、高分辨率的数字三维模型。当前，三维激光扫描系统可以实时进行移动式测量，对于小范围、狭窄的地上地下空间的数据采集具有非常明显的优势。近年来，随着倾斜摄影测量、近景摄影测量及三维激光扫描技术研究的不断深入，实景三维建模的应用也越来越广泛4 8。在考古发掘中，现场档案的留存也由手工记录、拍照、录像等传统方式发展为发掘现场三维场景数字化，以便更好记录考古发掘的过程，为后续模拟分析、文物复原及发掘决策提供科学依据。本文提出利用倾斜航空影像、地面近景影像、三维激光扫描数据融合的方式构建高精度、高质量的三维数字化场景。1区域概况及技术方案1 1区域概况本次考古挖掘现场为元代壁画墓，位于平原区域，地势平坦开阔，考古挖掘现场长度约 27 m，宽度约13 m，包含地上地下空间。地上空间为墓穴开挖区域，包括墓道及开挖的部分夯土层;地下空间为墓室、甬道。墓室为八边形苍穹顶砖砌结构，甬道宽0 8 m，长约 1 8 m，墓室及甬道内绘制了非常精美的壁画。1 2技术方案三维激光点云具有非结构化、不连续的特点，影像数据具有纹理清晰、色彩鲜艳、分辨率高的特点。为了建立本次挖掘现场的高精度三维数字化场景，并能够高质量地展示出墓室及甬道内的精美壁画，本文从数据获取和数据处理两个方面研究利用三维激光点云数据创建三维模型，然后利用航空和近景影像分别对地上和地下三维模型进行纹理贴图，最终创建出高精度、高质量的三维数字化场景。本文技术路线如图 1 所示。图 1技术路线Fig 1Technology roadmap2数据获取针对本次挖掘现场的实际情况，结合倾斜摄影测量、近景摄影测量及三维激光扫描的特点，对地上空间采用倾斜航空摄影方式采集影像数据，对甬道及墓室内部采用近景摄影测量方式获取影像数据，97测 绘 标 准 化第 39 卷并采用手持背包扫描仪对地上地下空间进行激光点云数据采集，同时利用 GNSS TK 方法进行控制点测量。2 1倾斜影像获取考古发掘现场面积较小，周围没有电线塔、高层建筑等限制航飞高度的设施，具备倾斜航空摄影的条件。根据作业区域实际情况，航线整体按南北方向布设，共设计 7 条航线，设定航高为 50 m，地面分辨率优于 0 5 cm，航向重叠率 75%，旁向重叠率70%。共采集到测区 270 张倾斜影像。墓道口作为地上空间和地下空间连接处，也是倾斜航空影像与地面近景影像的公共区域，鉴于航摄影像与地面近景影像的拍摄距离和分辨率的差异，在墓道口降低了航飞高度，在航高 15 m 左右手动补拍 5 个方向共计 25 张影像。2 2近景影像获取考古发掘现场地下空间包括甬道和墓室。甬道及墓室内墙壁均绘制了精美壁画。三维激光扫描仪等设备自带的全景相机分辨率较低，无法拍出高质量展现甬道及墓室内壁画的影像，为了在挖掘现场的数字化模型中完整、真实地展现壁画效果，采用近景摄影测量技术采集甬道及墓室内的影像数据。本次近景摄影测量采用索尼 A7II 相机，分辨率为 4 240 万像素。采用设站的方式用三脚架挂载单反相机进行数据采集。在墓室内设置一站，甬道两侧分别设置一站，固定相机的焦距，调整灯光角度、亮度，采用上中下的方式进行曝光，获取墓室内的影像数据，共采集 567 张影像。近景摄影测量所获影像分辨率优于 0 05 cm，上下重叠率大于 70%，左右重叠率大于 65%。2 3点云数据获取激光点云数据具有精确的相对位置信息，可以精细反映出整个考古发掘现场的几何结构。激光点云数据采集选取 GeoSLAM 背包式的手持扫描仪进行。首先，对地上空间按照既定的路线进行采集;其次，通过墓道进入甬道、墓室对地下空间进行采集;最后，回到地面形成闭环，获取地上地下空间连续的激光点云数据。2 4控制点布设本项目分别在测区范围内夯土层、墓道、墓室内布设了 3 个控制点、1 个检查点并利用 GNSS TK测量出准确的地理坐标，作为控制点文件。3数据处理首先，利用激光点云数据生成三维数字化模型，在纠正后的激光点云数据上读取墓室内外特征点坐标，并将其作为倾斜影像及近景影像空中三角测量的控制点文件。其次，采用先分块空三后联合空三的方式，利用提取的控制点资料分别对倾斜摄影数据和近景摄影数据进行空中三角测量，结果满足空三质量要求后进行联合空三。再次，以激光点云生成的三维数字化模型作为基础，基于联合空三结果进行模型重建，利用倾斜影像、近景影像对重建后的三维数字化模型进行纹理贴图。最后，利用模型修饰软件对模型进行简单修饰最终生成带有地理坐标、精细纹理信息、精细几何结构的数字化三维场景模型。3 1激光点云及影像处理1)对获取的激光点云数据进行预处理、范围裁切、噪点删除等操作，通过控制点资料进行点云纠正，生成带有真实地理坐标的点云成果。在点云成果中选取特征地物点并提取坐标信息，作为后续倾斜及近景摄影影像空中三角测量的控制点资料。2)分别对倾斜摄影影像及地面近景摄影影像进行空中三角测量，将影像自带的 POS 数据作为初始的方位元素，根据共线方程解算出每张影像的外方位元素。选取 1)中提取的控制点文件分别在倾斜摄影影像和地面近景摄影影像中进行控制点选刺。在墓道处选取公共控制点后进行空中三角测量，并按照空中三角测量质量报告确定成果质量。3)倾斜及近景摄影影像空中三角测量质量报告均满足要求后，利用空三合并功能将两套空三成果进行合并，再次进行联合空三，并检查空中三角测量质量，直到满足精度要求。3 2三维数字化模型制作三维数字化模型制作可以理解为在计算机中通过模型构建和纹理贴图实现对考古发掘现场的数字化和可视化描述。模型反映了地理实体的几何特征，而模型纹理反映了地理实体的视觉特点。本研究中三维数字化模型结合激光点云数据及影像数据的特点，其中模型采用几何表达更加准确的激光点云数据表示，模型纹理采用高分辨率的倾斜及近景摄影影像表示，其数据处理过程如下:1)采用激光点云处理软件将纠正后的激光点08第 2 期姚维琛，等:多源数据融合建模技术在考古发掘现场数字化中的应用云数据进行封装，在误差允许的范围内对三角网进行平滑处理，生成的三维网格模型作为点云数据封装的几何结构模型，如图 2 所示。图 2点云数据封装的几何结构模型Fig 2Geometry structural model of point clouddata encapsulation2)基于倾斜摄影影像及近景摄影影像混合空三成果进行模型重建，设置重建范围并采用自适应分块的方式将重建项目分块切割成若干瓦片。3)利用激光点云生成的几何结构模型替换瓦片的几何结构，并参照瓦片的数据组织形式进行数据整理，将替换后的瓦片模型作为修饰后的几何结构模型导入建模软件进行模型重建。建模软件会根据设置的瓦片范围对的几何结构模型进行重新切割，并利用混合空三结果，选取合适的纹理对几何结构进行纹理贴图，生成带有纹理信息的发掘现场三维数字化模型，如图 3 所示。图 3发掘现场三维数字化模型Fig 33D di