多源测绘数据的融合在遗迹考察保护工作中的应用研究
发布时间：2019-09-17
[摘 要] 目前，三维激光扫描技术作为一项高精度、高密度以及非接触性的数据采集方式，在 国 内 已有许多学者及工作者将其应用于文物遗迹保护工作中。本文将以往的研究应用成果作为借鉴，通 过 一 个 遗迹考察项目的实例，综合了利用地面三维激光扫描技术、手持精细三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术获取的多源数据，主要从几何特性和纹理特性两方面着手开展了测绘数据在遗迹考察保护工作中的应用研究。
[关键词] 三维激光扫描;倾斜摄影测量;多源测绘数据;遗迹保护
0 引言
文物及遗迹是一个国家宝贵的历史遗产，我国对文物遗迹保护的投入正不断加大，建立文物建筑预防性保护体系是其中的一项重要工作，其核心是实现文物信息的数字化，而三维信息采集与存储是实现数字化的首要基础工作[1]。
传统的文物遗迹保护工作采用的是手工测绘和摄影结合的综合手段，这种方法不仅要花费大量的人力、工时，而且还容易受外界条件限制[2]。目前，三维激光扫描技术作为一项高精度、高密度以及非接触性的数据采集方式，在国内已有许多学者及工作者将其应用于文物遗迹保护工作中[3]。
1 研究内容
三维激光扫描技术用于文物遗迹保护工作，采用的是非接触式高速激光测量方式，以点云形式快速获 取 被 测 对 象 表 面 的 几 何 图 形 的 矢 量 数据，并进一 步 构 建 虚 拟 的 三 维 模 型，可 以 在 亚 毫米级 的 精 度 下 满 足 文 物 遗 迹 保 护 工 作 的 需求[4-5]。对于较小规模文物可以具有很好的实用性。但高精度带来的则是高数据量，对于较大规模的文物及 遗 迹 来 说，则 会 带 来 海 量 数 据，这 对于后期开展相关工作则会造成极大的负担[6]。
基于此，本文从高精度和高数据量这个矛盾出发，在顾 及 三 维 模 型 高 精 细 度 的 前 提 下，利 用具体的实例，试图采用其他技术手段与三维激光扫描技术相结合，共同构建多源数据来展开文物遗迹保护领域的应用研究。
2 数据范例介绍
2.1 区域概况简介
本文所使 用 的 数 据 范 例 来 源 于 北 京 市 延 庆区世界地质公园中的一处带有恐龙足迹化石的边坡，边坡岩面大致呈梯形，下部宽约49m，上部宽约31m，腰长 约42m，与地 面 倾 角 约44°。遗址岩体边坡面积约为1600m2。边坡上的足迹包含了四足类、蜥脚类、兽脚类和鸟脚类恐龙足迹。足迹在岩面的分布如图1所示。
相关项目 的 工 作 目 标 主 要 是 对 已 知 的 现 有足迹进行三维信息采集，同时要对边坡上的其他区域进行三维信息的采集用于后续的科考研究。
因此，结合测区情况和工作目标来看，若 单纯的使用三维激 光 扫 描 技 术，则会带来极大的工作量，整个边坡的海量数据也将成为后续工作的负担，因此为了在数据高精度的同时兼顾数据轻量化，必须在利用三维激光扫描技术的同时，结合其他数据采集技术来对后续工作形成有力支撑[7]。
而倾斜摄影测量技术作为一项以影像数据采集与处理为主的技术，在一定程度上可以弥补这个技 术 缺 陷，获 取 的 影 像 数 据 与 矢 量 数 据 相比，数据量 会 明 显 变 小，而且可以很好的兼顾实景展示功能 方 面 的 需 求[8]。因此在本文后面的章节中，将利用上述实例对这种多源数据融合的应用情况进行具体分析和介绍。
2.2 关键技术整合情况
结合现场情况，我们在使用三维激光扫描技术的同时，也使用了基于无人机的倾斜摄影测量技术。具体实施数据采集时，主要情况列举如下：
(1)将三维激光扫描技术工作分为两个部分，一方面利用手持三维激光扫描系统对存在恐龙足迹化石的区域进行扫描测量，获取亚毫米级的模型数据;同时利用地面三维激光扫描系统获取坡面的点云模型用于足迹模型的定位定向。
(2)利用倾斜摄影测量技术对边坡整体进行影像数据采集，并建立边坡的亚厘米级的立体模型。
2.3 数据采集小结
本次数 据 采 集 所 使 用 的 仪 器 主 要 有 RieglVZ400i三维激光扫描仪、Artec手持激光扫描仪以及四旋翼无人机设备。
通过2.2中的描述，笔者将采集得到的数据类型列举如下：
(1)恐龙足迹化石的精细扫描数据和纹理照片;
(2)边坡的整体点云模型数据(矢量数据);
(3)边坡的整体影像模型数据(影像数据)和三角网格数据(半矢量化数据)。
3 数据处理
3.1 地面三维激光扫描数据
主要工 作 是 数 据 拼 接、去 噪 和 点 云 赋 色 工作，形成矢 量 化 的 彩 色 点 云 数 据，数 据 间 隔 控 制在0.005m 以内。
3.2 影像模型数据
利用Smart3D软件，对采集得到的约1200张相片进行影像拼接，形成边坡的3D影像模型。
3.3 恐龙足迹精细模型数据
将手持扫描数据在 Geomagic软件下进行数据处理，得 到 恐 龙 足 迹 的 精 细 模 型，并 将 模 型 赋予纹理照片上的对应纹理，获取亚毫米级精度的纹理模型。
3.4 数据处理小结
通过三种数据采集方式，我们获取了三种不同类别的数据，下面我们以这三种数据为基础展开遗迹保护工作方面的应用研究。
4 应用情况分析
4.1 遗迹化石参数获取
4.1.1 几何参数获取
利用恐龙足迹的精细模型，可以开展各种几何参数的获取工作，包括平面长宽、曲面长宽、足迹深度、足迹范围等参数。
4.1.2 属性识别
根据模型数据反映的实地情况，有助于后期对足迹类 型 的 判 别。图6中显示的是四种类型的恐龙足迹的模型，利用这种数据既可以从较为直观的角度进行类型判别，也可以利用模型的可量测性来进行进一步的属性研究。
4.1.3 区域性研究
将相邻的局部信息进行拼接整合，可以为区域性的分布规律研究提供数据基础。
4.2 数据融合应用分析
上面4.1节中主要是就精细模型的主要应用情况进 行 了 列 举 分 析。而本节则将获取的三种数据进行结合，对三者间的融合性应用情况进行列举分析。
4.2.1 足迹化石模型定位
利用精细模型数据中的特征点信息、点云数据中的矢量位置信息进行。具体来说，即利用高精细度的精细模型数据与高位置精度的矢量信息进行叠加，通过同名点位的选择最终确认遗迹在边坡中的位置，展示时则还需要用到影像模型作为辅助。
.4.2.2 区域模型定位
利用区域精细模型、整体点云数据以及整体影像模型进 行，具 体 来 说，也 是 进 行 同 名 点 位 的选择确认最终确认区域在整体中的位置。
4.2.3 遗迹的室内踏勘
应用采集处理得到影像模型本身在室内计算机上进行遗迹的整体踏勘，大大的减小了工作量，且由于影像数据量较小的特点也可以满足数据轻量化的需求，又可以顾及到对象的实景性质和精细度要求，同时结合数据量较小的边坡整体的点云数据可以进行兴趣区域的位置信息确认[9-10]。
4.2.4 区域地形展示统计
应用遗址的整体模型数据，既可以进行地形的整体统计工作，也 可 以 针 对局部地形进行更为细致的地形统计工作，通过确定的基准面来将模型数据进行进一步的矢量化，得出相对的地形变化信息，然后对变化信息的规律加以分析，从而为后期的专业科考工作提供基础数据依据。
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测绘工程是一个基础性的学科，一般应用于园林测绘，它所得到的数据信息是具有基础地位的信息，是任何国家都不能失去的。可见测绘工程师的重要性，测绘一直是男生热门的专业，好就业薪资高，伴随着电子技术的发展，测绘工程朝着电子化和自动化的方向发展。20世纪通过引进航摄像片制图技术及电子测距技术而使测绘精度提高。
5、结束语
本文以一个带有恐龙足迹化石的较大遗址区域为数据实例，进行了三维激光扫描技术和倾斜摄影测 量 技 术 在 遗 址 保 护 领 域 的 融 合 性 应 用研究，研究情况主要总结如下：
(1)利用多种技术手段获取不同类型的数据，将其相 互 结 合 形 成 多 源 数 据，既 可 以 满 足 遗迹保护工作所必须的精细化要求，又可以在部分工作场合实现数据的轻量化。
(2)利用三维激光扫描技术可以得到遗迹保护工作中所需要的各类几何信息及属性信息，为专业性的科考研究提供了充分的数据基础，同时也提高了工作的便利性，使得考古工作者足不出户便可以利用相关数据进行研究工作。
(3)将点云矢量数据与影像数据结合，可以根据具体需求开展多种方式的专业研究工作，但各类数据尤其是整体数据必须达到一定的精度及密度要求，这样才能和精细模型数据实现良好的匹配效果。
(4)本文中的应用研究主要是以项目实例为依托，在后续开展其他较大区域的遗迹考察工作时，则需要先根据具体情况来确定测绘数据在具体项目中的作用，从而确定应用方向，再根据这个方向来开展应用研究。也就是说，针对不同的遗迹考察项目，具体的应用研究工作也是具有差异性的，目前根据文中的实例可以归纳的应用方向主要是从几何属性和纹理属性这两方面进行的相关研究。而在今后的研究工作中，笔者也将利用更多的项目实例来对这种差异性中所蕴含的其他应用共性进行进一步的研究。
