一、概述

　　考古调查与发掘过程中，往往需要从较高的位置拍摄遗址或遗迹的照片。考古界同仁曾经借助气球、梯子等的辅助来拍摄照片，但总是很难达到令人满意的效果。近年来，随着固定翼、多旋翼无人驾驶遥控飞机技术的成熟与使用，田野考古工作现场的超低空拍摄变得非常简单而且有效，可以满足考古调查、发掘、保护工作中大场景影像拍摄、三维重建、遗迹与地形测绘等的需要。

　　用于考古工作中超低空拍摄的遥控飞机类型很多，一般固定翼遥控飞机飞行高度比较高，速度快，适合拍摄较大范围的考古遗址。多旋翼遥控飞机有四轴、六轴、八轴等等，可以垂直起降，慢速飞行，适合拍摄中、小型遗址，甚至考古发掘的探方。四轴、六轴的遥控旋翼飞机可以携带微单相机，八轴遥控旋翼飞机可以携带单反相机进行超低空拍摄。

　　年11月18日实施的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》指出，重量小于等于7公斤的微型无人机，飞行范围在半径米以内、相对高度低于米的目视视距范围内，无须证照管理(1)。现在很多六旋翼遥控飞机飞行平稳，驾驶简单，价格低廉，携带微单相机后重量在3公斤左右，进行考古遗址超低空拍摄的人员无需申领驾驶执照。

　　本文结合一些实例，探讨使用遥控飞机对考古遗址进行超低空拍摄的地面控制、相机设置、数据处理、成图等技术。

　　二、控制测量与超低空拍摄

　　超低空拍摄之前需要在地面设置、测量一些地面控制点，控制点标志可以摆放在拍摄区域的四角位置，避免沿一条直线摆放。控制点标志一般使用4、5个具有红色、黄色三角形图案的环氧树脂标志板（图1），标志板的中心位置非常明显，在不同分辨率的影像上都可以精确地确定，红、黄颜色在野外绿色、灰色等环境中也非常醒目，易于辨认。标志板的大小应该根据飞行高度和相机焦距来确定，使用全画幅相机、万像素、21～25mm焦距镜头拍摄时，相对高度30米以内时可以使用10cm×10cm的控制点标志板，相对高度在30～60米时可以使用20cm×20cm的控制点标志板，相对高度在60～米时可以使用30cm×30cm的控制点标志板。标志板大小合适的时候才能在拍摄的影像中清晰明显，易于标注中心位置。

图1控制点标志与带有控制点标志的影像

图2遥控飞机飞行拍摄路径示意图

　　测量精度，特别是使用免棱镜方式直接瞄准控制点中心进行测量时，能够得到3～5毫米的测量精度。使用棱镜测量时，应该尽量降低棱镜的高度，以提高测量精度。使用RTK进行测量时的误差有时可能达到10cm左右。现场测量的控制点坐标数据最好使用照相机拍摄，或者直接联机导出成文本文件，以避免笔录时出现抄写错误。

　　超低空拍摄之前照相机的设置非常重要，应该使用手动档（M档）进行拍摄，选择拍摄范围内最亮的地面物体进行测光，使最亮地物在拍摄的照片上曝光合适，其他地物的曝光可以稍微弱一些。光圈为8左右，具有防抖功能照相机的曝光时间为1/～1/秒，无防抖功能照相机的曝光时间为1/～1/0秒，感光度范围在～之间，自动白平衡。使用的镜头选择短焦距的手动对焦镜头，这类镜头的超焦点距离很近，设置合适后一般在几米之外都能够清晰成像。

　　拍摄过程中，遥控飞机从拍摄区域一角起飞，起飞前开始使用计时器记录飞行时间，到达合适的飞行高度后沿着摄影区域一边向左（或向右）飞行，每隔3秒左右拍摄一幅照片，相邻两幅照片拍摄的范围保持80％左右的航向重叠。到达拍摄区域另一个边角后向前飞行一段距离，再向右（或向左）飞行，完成第二个航带的拍摄，两个航带之间的照片保持20％～30％左右的旁向重叠，然后再拍摄第三航带、第四航带……（图2）。根据计时器记录的飞行时间，在电池电量耗尽之前将遥控飞机降落下来，更换电池后进行后续拍摄。

　　拍摄时的飞行高度需要根据影像的分辨率来确定，一般飞行3～4米的相对高度可以获得1mm的正射影像图，30～40米的相对飞行高度可以获得1cm的正射影像图，米左右的相对飞行高度可以获得3～5cm的正射影像图。

　　为了获得更好的三维重建效果，对于地表起伏较大的遗址、具有较深的探方壁等情况下，需要将照相机倾斜安置在遥控飞机的下面，从不同位置拍摄多视角的照片。

　　三、数据预处理

　　拍摄的照片应该在现场进行简单处理，检查拍摄区域内的照片覆盖是否完整，有没有遗漏的部分。如果只是浏览照片还不能判断全部的覆盖情况，就需要选择一部分照片使用多视角三维重建软件AgisoftPhotoscan进行初步处理。由于拍摄现场往往只有笔记本计算机可供使用，所以选择的照片大致保持50％～60％的航向重叠，并且把×0像素的照片备份后缩小成×或更低（如1×0）像素，照片数目较多的时候需要进行分组，60～80幅照片处理一次。根据预处理的结果，如果有遗漏区域，需要立即进行补充拍摄，如果没有遗漏区域，可以回到办公室使用图形工作站进行进一步处理。

图3原始影像及其直方图

图4直方图调整后影像亮度变化情况

　　亮度调整是对影像直方图分两个区域进行线性拉伸或压缩，AdobePhotoshop等软件菜单中的“色阶”就是调整影像的亮度。影像直方图表示不同亮度的像素数量分布情况（图3），可以通过移动直方图下面黑色、灰色、白色三个小三角形来调整影像亮度。其中黑色、白色两个三角形可以在无像素区域（图4中两条红色竖线之外）移动，灰色三角形应该移动到直方图曲线峰值附近。一边调整黑色、灰色或白色小三角形，一边观察影像的变化，直到比较满意为止。

图5反差调整及影像反差变化情况

图6第二次反差调整及影像反差变化情况

　　反差调整是对影像直方图进行非线性拉伸，AdobePhotoshop等软件菜单中的“曲线”就是调整影像的反差。打开“曲线”对话框之后，在斜线右上、左下分别点击一次，产生两个节点，将右上节点向左上提升一些，左下节点向右下拉伸一些，同时观察影像质量的变化（图5）。每次“曲线”调整的幅度不宜太大，如果影像质量仍然不理想，可以进行第二次“曲线”调整（图6）。

　　由于超低空拍摄的照片是以拍摄区域中最亮地物测光拍摄的，所以有些时候照片的主体亮度偏暗，如果进行三维重建的效果比较差，则需要对全部照片的亮度与反差进行调整。

　　亮度和反差调整能够显著提高影像的质量，如果处理低空拍摄的数百幅数字影像，可以通过AdobePhotoshop软件的快捷键来提高速度，如“Ctrl＋Alt＋L”是根据上次的参数进行亮度调整，“Ctrl＋Alt＋M”是根据上次的参数进行反差调整。所以处理过程中每次打开10幅左右的影像，对每幅影像进行一次亮度调整、一（或二）次反差调整之后，关闭、保存影像即可完成。

　　四、三维重建与数据输出

　　运用AgisoftPhotoscan软件可以根据超低空拍摄的全部数字影像进行三维重建，制作拍摄区域的三维模型。然后在三维模型上标注控制点的准确位置，输入各控制点的三维坐标，将三维模型安置在平面直角坐标系中，最后导出通用格式的三维模型、正射影像图、数字表面模型（DSM：DigitalSurfaceModel）等数字成果。

　　三维重建之前需要对全部影像进行筛选，尽量减少参与处理的影像数目。没有树木、房屋且地势平缓的区域，相邻影像应该具有50％～60％的航向重叠，有树木、房屋的区域，相邻影像需要具有80％左右的航向重叠。幅以内的影像可以使用×0像素，超过幅影像时最好把像素降到×像素，一次处理的影像数目最好不超过幅。

　　AgisoftPhotoscan软件中右键单击“工作区”弹出对话框“添加堆块”，左键单击选择，工作区中出现“Chunk1”。再右键单击“Chunk1”，弹出对话框后选择“添加照片”，打开存放数字影像的文件夹，选择用于三维重建的全部影像（图7）。

图7添加影像的操作界面

图8工作流程的操作界面

　　三维重建的过程就是依次运行软件“工作流程”菜单中的“对齐照片”、“建立密集点云”、“生成网格”、“生成纹理”四个步骤（图8），其中“对齐照片”后生成稀疏点云，据此调整好工作区域的大小与方向，再“建立密集点云”，此时需要根据软件显示的稀疏点云数目选择密集点云的精度，有最高”、“高”、“中”、“低”、“最低”可供选择，一般稀疏点云1万以内可以选择“高”，1万～10万选择“中”，10万～50万选择“低”，超过50万选择“最低”，生成的密集点云数目最好在万以内，否则需要花费很长的处理时间。“生成网格”数目可以根据模型的复杂程度选择20～万面。“生成纹理”的大小可以修改为～0之间，方式选择“平均”。

　　“对齐照片”步骤完成之后，需要检查整个区域的稀疏点云是否完整。如果有很多影像没有参与生成稀疏点云，需要找出参与生成稀疏点云的最前、最后两幅影像文件名，查看这两幅影像前、后有没有未被选择参与三维重建的影像，如果有则选择进来重新处理，如果没有，需要增加两个“堆块”，把缺失的部分的影像分别添加到“Chunk2”、“Chunk3”中进行“对齐照片”处理，然后“对齐堆块”、“合并堆块”，对合并后的堆块进行“建立密集点云”等后续处理。

　　三维重建完成之后，将鼠标放在三维模型中控制点标志板附近，转动滚轮进行放大，右键点击控制点标志板的中心位置，选择弹出对话框的“添加标志”。全部控制点标注完毕，左键单击软件界面左下角的“地面控制”（或“参照”，不同版本的软件有差别），依次双击“point1”、“point2”等控制点的X、Y、Z栏，输入测量的三维坐标数据，进行“设置”后完成三维模型的坐标系设置（图9）。输入三维坐标的时候需要注意的是电子全站仪与RTK的X、Y、Z坐标分别表示北坐标、东坐标、高程，软件中的X、Y、Z坐标则分别表示东坐标、北坐标、高程。

图9输入控制点坐标的操作界面

图10导出正射影像图的操作界面

　　坐标设置完成后，检查各控制点误差大小，如果误差很大，需要检查控制点顺序是否准确，输入各控制点坐标数据有没有错误。计算误差很小之后即可导出模型、正射影像图等成果。

　　“导出模型”菜单可以导出3ds、pdf等格式的三维模型数据。导出pdf格式文件时，生成的三角网数目不能超过12万、纹理大小不能超过，否则打开文件后无法浏览三维模型。

　　“导出正射影像”对话框打开后，需要选择“投影平面”为“顶部XY”。“像素大小”根据具体情况输入，探方的正射影像图可以输入1～10mm，遗址的正射影像图可以输入2～5cm。选中“写世界(world)文件”前的复选框，指定保存的路径和文件名即可（图10）。“导出DEM（数字高程模型）”的情况与“导出正射影像”类似，分辨率数值可以与正射影像图一致或稍大。

　　五、成果整理与应用

　　AgisoftPhotoscan软件导出tif格式正射影像的同时产生一个tfw文件，这是影像的坐标参照文件，可以通过WINDOWS中的“记事本”程序打开，其中的第一、四行分别表示正射影像X、Y方向的分辨率，第五、六行分别表示影像左上角的X、Y坐标。根据影像分辨率可以通过AdobePhotoshop软件在正射影像中标注图解比例尺，例如在4cm分辨率的正射影像上绘制比例尺时，可以使用“固定大小”的矩形选择工具，选择×4像素的选区，填充黑色或红色，然后在其两端上部进行数字标注（像素表示实地10米，所以应该标注“0”和“10米”）（图11）。具有图解比例尺的正射影像可以加载到AdobePhotoshop、ArcGIS软件或其他制图软件中绘制线划图，这种方法绘制图形的精度高、速度快，能够绘制各种复杂的考古发掘现场图形。

　　导出的数字高程模型文件实际上只是数字表面模型，只有在模型表面没有树木、房屋等覆盖的情况下，才可以看作是数字高程模型。数字高程模型文件直接加载到ArcGIS软件或GlobalMapper软件中，生成并导出等高线文件（图12）。如果模型表面被树木、房屋等覆盖，需要根据实际情况对等高线进行修改，消除树木、房屋等对等高线产生的影响。

图11根据三维模型生成的正射影像图

图12根据数字高程模型生成的等高线图

　　根据三维模型除了生成各种遗迹的平面、还可以生成不同立面的正射影像图；对三维模型的重要部位进行裁切，能够获取不同部位的断面影像图，据此绘制遗迹的立面图、剖视图、剖面图等等。

　　六、结语

　　运用多视角三维重建技术处理超低空拍摄的数字影像，可以对考古发掘的单个探方至数十万平方米的古城遗址、古村落等进行三维重建，快速生成高质量的三维点云模型、具有真实纹理的三维模型、1mm至5cm的正射影像图、立面影像图、数字表面模型（数字高程模型）等数字成果，进而可以绘制遗迹平面图、等值线图等图件，成图精度高，速度快，操作简单，将彻底改变传统田野考古绘图方法，为考古调查、发掘和文化遗产保护提供有力的支持。

　　发掘探方、遗迹、遗址等的真实三维模型，全面记录遗迹或遗址的空间信息，为之后的发掘报告整理、考古学研究、博物馆展示等奠定了丰厚的基础。而低成本、易操作的三维重建技术，将会在博物馆展陈、文化遗产保护与考古研究中得到迅速、广泛、深入的运用。

参考文献

(1)民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定，编号：AC-61-FS--20，中国民用航空局飞行标准司，年11月18日实施。

（作者单位：中国社会科学院考古研究所　本文电子版由作者提供，原文刊于《考古》年第11期）