【行业】贴摄“文遗” 守护光芒——文化遗产数字化 无人机贴近摄影测量大赛侧记
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建筑是城市历史记忆和文化的积淀，是一座城市在时间长河中的注脚。沿着古建筑往前追溯，可以洞察一座城、一方地的文化底蕴和历史故事。如何将“无声的历史”守护原貌、复刻全面、传播出去，一直是我国文化遗产保护的重中之重。
由大疆行业应用（以下简称“大疆”）、武汉大学遥感信息工程学院、字节跳动公益、中国国家地理频道联合主办的文化遗产数字化无人机贴近摄影测量大赛（以下简称“大赛”）通过线上征集无人机贴近摄影测量技术呈现的中国文化遗产精细化模型和实践贴近摄影测量在社会生产生活中的广泛使用，力求为我国文化遗产保护作出贡献。该大赛颁奖典礼在近日举办，受疫情影响，本次颁奖典礼采用线上直播的形式举行。
上午9点，直播网站的观看就突破了3800人次，聊天室内人数在不停地刷新，关注无人机贴近摄影测量技术的大有人在。
无人机贴近摄影测量原理
什么是贴近摄影测量呢？贴近摄影测量(Nap-of-the-object Photogrammetry)是武汉大学张祖勋院士团队针对测绘行业精细化测量需求提出的一项全新技术。作为精细化测绘和无人机装备双向技术进步的产物以及测绘技术数字化发展的必然趋势，贴近摄影测量最早被应用于地质调查与监测预警。“以物体的‘面’为摄影对象，通过贴近摄影获取超高分辨率影像，对地理信息进行精细化提取。”本次颁奖典礼一开始，中国工程院院士张祖勋就为直播的观众朋友们详细地介绍了贴近摄影测量的概念。
在直播中，张祖勋从另一个崭新的概念引入——由深圳大学校长李清泉提出的优视摄影测量。张祖勋表示，优视摄影测量是高效城市场景重建的场外空中路径规划，是明确面向城市的三维重建技术，而贴近摄影测量的应用场景则更为广泛。“首先，需要明确的是贴近摄影测量是面向目标的测量。”张祖勋说，“面向目标不仅需要‘正视’，还需要‘交向’，应用范围也不仅仅局限于城市，还有山体、斜坡等等。”
贴近摄影测量的起初就是为更好地进行危岩加固、攀岩勘测等复杂的耗费大量人力物力的工程而研发的。张祖勋以箭穿洞为例，险峻的峭壁、恶劣的室外工作环境、极高且大量的精细数据要求，过去的摄影测量方式已经无法满足当下的需求。2018年张祖勋院士团队提出了贴近摄影测量这个新概念，贴近摄影测量应运而生。贴近摄影测量是继对地观测和倾斜摄影后，航空测量的第三种摄影方式，能够弥补对地观测和倾斜摄影的不足。贴近摄影测量相较于之前的两种摄影方法能够做到更加精细。从数据上看，贴近摄影测量能够达到亚厘米甚至毫米级的精度。
正是由于其针对目标和精细化的特点，贴近摄影测量成为了古建筑测绘的新宠。首先，大量的古建筑经过几十年甚至数百上千年的风雨洗礼，本身结构和外观状态都会发生很大的变化，在没有图纸的情况下，对古建筑的勘测可谓难上加难；其次，在古建筑的保护和修缮中，最为忌讳的就是对建筑本体造成破坏，甚至是不可逆的破坏；另外，古建筑本身带有一定的文化传承和艺术熏陶的功能，无论是雕刻细节还是色彩细节都需要准确还原。传统的测绘手段在精细程度上欠缺，还需要耗费大量的人力物力，在测绘过程中更是会对建筑本身造成破坏。
如今，结合无人机技术，在贴近摄影测量前先形成三维航迹，无人机沿预定的三维航迹，近距离贴近目标或者物体表面进行面向对象的飞行及摄影。后续结合实际拍摄情况，对目标加以适当角度的补拍。再应用摄影测量软件，对航线执飞期间无人机近距离飞行拍摄和特定角度补拍所获取的毫米级分辨率影像进行处理，生成精细化三维重建。通过贴近摄影测量技术和无人机技术的结合，按照航线设计、航线执飞、三维重建这三大步骤，能够在很大程度上规避以上古建筑测绘的过程中的问题，辅以高精细数据，文化古迹的保护与传承进入“精细化时代”。
同时，随着技术的发展和文化传承的需要，古建筑测绘也走向“台前”。自联合国发布《保护非物质文化遗产公约》以来，一系列与遗产空间、时间和非物质维度相关的保存以及可持续发展的新议题成为热点。
以大疆为例，针对文化遗产保护工作，大疆已完成了乐山大佛、悬空寺、广胜寺飞虹塔、平遥古城等古建筑数字化项目，利用自身研制的经纬M300RTK、DJIP1、大疆智图等软硬件设备投入到历史文化遗产的保护工作中。贴近摄影测量技术和无人机飞行技术的结合应用在工程中极大地提高了测绘效率，将对建筑本身的影响降至最低。
本次大赛测量及建模对象为物质文化遗产，物质文化遗产是具有历史、艺术和科学价值的文物，包括古遗址、古建筑、近代现代重要史迹及代表性建筑等，以及在建筑式样、分布均匀或与环境景色结合方面具有突出普遍价值的历史文化名城（街区、村镇）。
最终，大赛联合评委会从专业评选、人气评选两个维度对入围作品展开评定，最终评审出梵净山、武义三根半塔、蟠龙山长城、沈阳故宫大政殿等9项优秀作品。
大疆行业应用测绘行业负责人魏坤岭透露，本次专业评审方案联合了20位专家评委，评审团队涉及测绘、文化遗产、传媒、无人机技术产品等各行各业。首先，技术本身需要应用无人机贴近摄影测量，其次需要看测量对象的选择本身是否符合物质文化遗产的要求，主要分为四个层面——技术水平、成果质量、文化价值、大众投票，可以说是全方位地对项目成果进行合理评估。
贵州云图瞰景地理信息技术有限公司负责的梵净山项目是本次大赛的一等奖，其与众不同的亮点在于“针对不同目标对象特性进行细致分析，设计多样化的贴近摄影方案进行实施”。
梵净山航测工作过程
梵净山山势雄伟，地貌多样，整体地势起伏大；项目区域面积大，重点区域面积约30万平米；山顶气候多变，云雾水汽影响拍摄质量，作业条件可谓苛刻。不仅如此，梵净山项目负责人罗辑还指出：“整个作业区域的对象比较复杂，有建筑，有山体，还有大量植被，建筑体里面有寺庙，有桥，还有一些岩石，包括上面的岩刻。除此之外，梵净山作为5A级旅游景点，作业线上的游客也比较多。”
针对以上复杂的情况，在外业数据采集阶段，梵净山项目团队首先需要采集粗模数据，通过粗模数据进行毫米级别的精细航线规划；针对树荫、屋檐底或者人群密集等区域，进行“抱拍”来采集数据；分析已有数据成果，最后进行补拍。
梵净山团队针对不同的目标对象细致分析，采用大疆经纬M300RTK+P1设备、大疆精灵4 RTK（P4R）相结合的形式，利用P4R相对灵活小巧的特性负责部分区域的数据采集。最终，该项目总共采集了21000张有效照片，运用大疆智图进行建模。
罗辑介绍道：“这个项目我们采用的全部是可见光的相机进行拍摄，采取先用摄影测量倾斜摄影的方式把它拍下来，然后针对我们关注的点再进行贴近摄影测量，通过这种方法把我们需要在这个作品里面表达的东西全部获取到。”
除此之外，获得二、三等奖的作品也都以其细致的摄影技术和后期模型处理、完整还原建筑细节等优势征服了评委和公众。二等奖作品之一是浙江风土工程设计有限公司（以下简称“风土工程”）承办的武义三根半塔项目，项目不仅保存了建筑外观细节，更对内部做了精美重建。
负责人何情达在项目介绍中表示，古建筑领域的数字化必须要内外兼具，尤其是大量有存在于建筑内部的木架构建筑信息。“以发宝象龙塔为例，外立面相对比较简单，但内部的结构是比较复杂的。进行内部采集时，像发宝象龙塔的壁内折扇式楼梯基本上只能一个人通过，内部的楼梯又缺乏自然的采光。所以当时我们采用大疆的口袋相机加了一根钓鱼用的伸缩杆改装了一个四分之一的螺丝后，将口袋相机架起，以达到16米高度，再辅以摄影灯架等辅助进行采集作业。”
为了采集到内外部全面数据，风土工程团队通过遥控微单采集、无人机贴近摄影、地面三维激光扫描以及手动补拍等多元化的作业手段，发挥了不同设备的特点，并进行综合运用。
风土工程是一家专业从事文化遗产保护的设计公司，在展示中，何情达接连献疑，从公司项目出发直击文化遗产数字化过程中的痛点，“明明有三维的数据，却只能生成二维的正射影像图，再画出甚至描出二维的图纸。”“空地能否融合？”“室内室外能否融合”等等。也通过实践发现问题，通过实践解决问题。
本次大赛共计收到175项作品，涵盖多种行业的参赛者，包含事企业单位、高校、科研院所等。各个项目团队都带来了自己的满意之作，也借助此次平台交流和学习先进的成果和技术。
最终大赛以科技创新，传承历史细节，精细灵“活”地呈现了中国古建筑风貌，进一步加强社会对文化遗产的认知度和保护意愿。而对于文化遗产数字化，各个团队也都怀揣着热情与抱负，利用先进技术对历史建筑进行数据留存，通过形成360°的实景三维模型，让文化遗产素材可以被灵活调取、全角度观察、全细节收录，为一直以来只能进行有限观察、“静止不动”的历史建筑注入了活力。
文化遗产数字化使得文保从业者能够进一步摆脱繁重的户外勘察、笨重的设备负担，甚至高风险的安全隐患，用自动化作业代替传统作业方式。除了更高的精细度、更好的作业条件、更高效的作业效率，也如何情达所说，“三根半塔这个项目的起初，我们就考虑到数字化成果如何能更好应用到博物馆展览去，让文化遗产数字化不单是为文化保护工程提供基础的数据支撑，还能够更好地传播出去分享给大众。”文化遗产数字化能够加强社会对文化遗产的认知度和保护意愿，在古建筑不断消失的今天，对建筑布局、建筑形制、结构体系和构件尺寸的全面测绘是保护和传承建筑技术、工艺和价值的最基本、最有效的手段和技术。
本次大赛的举办初衷也正是如此，魏坤岭说：“作为企业，需落实数字化创新助力文化遗产保护、文化传承等相关方面的社会价值，我们要秉承使命和助力文化遗产传播、社会发展、人类进步等去做我们的推广工作。简而言之，希望我们的科技能够赋能文化遗产。”
大赛过程中，他也不断感慨整个文化遗产数字化领域苦测量设备久矣，比如像风土工程原来是用的单反相机或者消费级无人机，或者是像天津大学李哲教授用的航模机器去改装单反相机，以解决整个无人机测绘的问题，这样的“自力更生”其实走过了好多年。大疆发现部分用户从零几年就开始自己攒各种飞机、相机去完成摄影测绘，但这个其实是非常难的，而且当时肯定是耗费了不少人力成本和进行了技术打磨。
另外一点感慨便是很多地面测量设备，比如单反相机、三维激光扫描仪、全站仪这种传统测量设备所解决不了的问题，通过这次无人机贴近摄影测量技术都得到了解决。因为空中摄影或者贴近摄影测量方式可以解决立面或者廊檐下面甚至原来空中摄影被遮挡的区域，从而获取数字化模型。从这个方面来讲，无人机贴近摄影测量在文化遗产保护领域发挥了很大价值。
魏坤岭表示，第二个方面便是希望能够推动创新技术的落地应用。作为和张祖勋院士团队的合作项目，双方都一直想共同推动贴近摄影测量技术落地和产品方案更新应用。而这次大赛显然也做到了，贴近摄影测量成功从地质调查、水利工程检测、城市三维建模走向了文化遗产保护领域。
“这次大赛最后效果也是远远超出了我们的预期，有100多个作品覆盖20多种行业的参赛者、涵盖全国28个省份，这超乎我们的想象，有各行各业的人在全国各地提供各式各样的作品来参加这个比赛，我们相信我们是找到了一波志同道合的人去推动这个技术的发展，去推动文化遗产数字化这个领域。”将无人机技术与贴近摄影测量技术引入文化遗产保护领域，不仅是当下的科技创新，更是可持续的科技赋能。
对于贴近摄影测量的产业化，无论是专家学者、行业代表还是用户代表，都满怀期冀。魏坤岭表示，整个活动联合了专家学者，获奖团队中包含传统的测绘公司，包含像风土工程此类集中文化遗产数字化保护的公司，也涵盖了清华大学等高校科研机构。整个大赛就是产学研用的联动。产业化是个大难题，通过一次大赛、一个项目试点去应用技术不难，但是如何达到产业化的概念？如何让大部分的用户用起来解决现实难题？
“所以说可能各行各业都需要孜孜不倦地去努力。对于大疆来说，和用户去接触，和专家学者去沟通真实的需求是什么样子，再回到最根本的，还是做好我们的技术迭代和产品更新，也是期望我们的技术和我们的产品能在文化遗产保护数字化这个领域得到更多更广泛的应用，也可能不限制于国内，全世界都能够用起来，用我们中国的产品和技术去解决他们的问题。”魏坤岭说。归根结底，应用平民化是产业化的可行方向。除此之外，价格平民化、技术平民化的优势也将是大疆接下来不断巩固和深化的重点。
无人机贴近摄影测量作为新技术，在文化遗产数字化领域实现完美的落地应用。无人机技术创新带来更高效、精准的文物古迹保护新手段，全面提升历史文化古迹数字化资产的建立效率与采集精度。而文化遗产数字化大赛则让更多人由此关注文化遗产保护，身体力行参与到文化遗产保护中来，为优秀文化弘扬打下坚实基础。
正如张祖勋院士所说：“贴近摄影测量技术提出至今不到三年，这次的大赛活动克服重重困难，参赛单位数量众多，超出预想。作品质量上乘，展现了各单位参赛人员的高超工程技艺，让更多人领略到数字文化遗产的魅力。”
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文 / 本刊记者 关晓睛 图 / 受访者提供
编辑：张永超
初审：齐 阳
审核：彭震中
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来源：中国测绘学会
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