南京明城墙遗产保护与可视化展示.pdf

2023年3 月March,2023Modern Surveying and Mapping第46 卷第2 期Vol.46.现绘测代南京明城墙遗产保护与可视化展示王敏，吕成莉？，杜伟吉！（1.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏南京2 10 0 19；2.淮安市自然资源和规划局洪泽分局.江苏淮安2 2 310 0）摘要为向城墙申遗、城墙保护和城墙博物馆展陈工作提供真实依据和基础资料，需利用数字化手段科学、全面地考察和记录南京明城墙遗产信息。针对南京明城墙的分布特点及保护区规定，利用倾斜摄影构建城墙及周边环境的三维模型。总结了无人机倾斜摄影方法的技术优势和生产流程，并以南部约6.1km的城墙为研究对象，使用DM一X402H倾斜摄影无人机平台搭载倾斜航摄仪、地面控制系统、GPS导航控制系统完成外业数据采集，利用PhotoMesh软件构建三维实景模型。最后，利用CityMaker三维引擎和NET开发环境完成三维模型的可视化展示。该方法真实、快速、精确再现城墙及周边环境，使建立时空数据库、实现动态监测成为可能。关键词南京明城墙；遗产保护；倾斜摄影；实景三维模型；可视化展示中图分类号：P231文献标志码：A文章编号：16 7 2-40 9 7(2 0 2 3)0 2-0 0 14-0 40引言2006年和2 0 12 年，南京明城墙两次被国家文物局列入中国世界文化遗产预备名单，南京市也于2 0 14年被确定为“中国明清城墙”联合申遗牵头城市。按照世界遗产地的保护管理要求及标准，南京明城墙需要搭建基础资源数据大平台，做好对外的智慧服务系统和对内的智慧管理系统 2 。文物数字化是文化遗产保护的重要手段，也是实现永久保护的重要途径 3利用三维实景建模和可视化技术建立南京明城墙的真三维数字档案，可用于文化遗产的保护、修复、复原。目前三维模型的基础数据来源主要有CAD地形图 4-5、激光点云 6 、倾斜摄影 7-8 等。基于二维CAD地形图构建地物三维模型，需要人工提取的数据多，工作量大，真实性相对较差；点云能直接提供被扫描目标的高精度三维坐标信息且可保证数据信息的现势性，但其存在数据量大、余信息多、点云间无连接性、无结构化属性、没有承载语义信息等问题91倾斜摄影测量相关技术的优势无人机倾斜摄影建模技术通过从一个垂直和四个倾斜的不同视角（倾角15以上的都划归到倾斜摄影范畴）同步采集影像，融合先进的定位、融合、建模等技术，获取真实的三维模型。该技术在欧美等发达国家已经广泛应用于智慧管理、规划、住建、自然资源、交通、电力、水利、应急等行业。倾斜摄影可自动批量建模，具有高效率、高精度、高真实感、高性价比、可量测等优势，弥补基于二维地图及传统虚拟三维模型应用的不足。倾斜摄影技术不断发展，人们对实景三维模型的精度、色彩等要求越来越高，需要降低航摄载体飞行高度。多旋翼无人机、动力三角翼等多种中低空倾斜摄影数据采集方案应运而生。南京市委、市政府高度重视南京城墙保护与利用工作，精心打造了明城墙风光带和“一山两水一城墙”城市名片，为城墙的高质量发展提供了契机10 1。近些年来，南京城墙保护管理中心开展了南京城墙铭文砖数字化、南京城墙记忆数字化、南京城墙监测预警平台、南京城墙内部人防工事数字化、南京城墙重点段实时监测监护等项目。2 0 17 年9月出台了南京城墙保护与修技术导则，为城墙保护修、抢险加固、市政设施改造等涉及城墙的工程行为提供了规范标准。导则提出，南京城墙本体的保护与修应保持文化遗产的真实性与完整性，而倾斜摄影技术是目前可以快速获取城墙实景、重现城墙真实性最便捷的方法。2南京明城墙倾斜摄影方案设计与实现2.1主要技术流程采用DM一X402H旋翼无人机搭载DM5一3600航摄仪进行倾斜航空摄影，获取测区约计6.1km、分辨率优于0.0 3m的倾斜影像，开展实景三维模型生产，主要技术路线如图1所示项目来源：南京市测绘勘察研究院股份有限公司内部科研课题（2 0 2 0 RD09）第一作者简介：王敏，高级工程师.研究方向为自动化变形监测技术、三维激光扫描、倾斜摄影及模型构建。15敏等：南京明城墙遗产保护与可视化展示第2 期现有资料收集及分析航摄空域申请航摄分区航线设计航摄架次及航高设计航飞重叠度设计倾斜摄影数据预处理空三加密解算三维模型构建、修改、检查成果整理与输出图1南京明城墙倾斜摄影方案2.2影像数据获取摄区多为长青植被，生长茂盛，城墙底部基本被完全覆盖，且城墙为狭长带状分布，为航摄设计带来极大的挑战。项目成图比例尺设定为1：50 0，航摄地面分辨率0.0 3m，摄区为城墙内外边线外沿10 0 m。2.2.1航摄空域申请摄区位于南京市区，归属东部战区，须向东部战区空军司令部申请空域，经批准后完成摄区航空摄影，确保了项目顺利实施2.2.2航摄设计结合测区地形地貌，现场踏勘后对摄区进行航摄设计，确定航摄分区、飞行架次、航线敷设等航摄参数。根据遗产范围和南京城墙保护区范围，在沿城墙内外侧外扩10 0 m进行摄影分区划分。利用无人机飞控系统控制数码相机镜头角度，按照垂直向下，前后左右各侧视42 等5个方向分别获取航空影像数据，形成航摄区带状倾斜摄影测量数据。航摄区划分为5个区域，根据区域大小、摄区环境条件设计多个架次（表1），每个架次通过调节航高实现高空间大范围影像获取和低空间小区域精确航拍。本项目设计下视影像旁向重叠6 5%，航向重叠75%，共计获取2 9554张照片表1南京明城墙倾斜摄影方案区域航摄类型架次数据量/张POS数据(有无)平均航高N1倾斜摄影3架次9179有195m;68m;8mN2倾斜摄影1架次3600有108 mN3倾斜摄影2架次6300有288mN3倾斜摄影1架次3165有95mN5倾斜摄影2架次7310有13 m;193 m2.3外业像控点测量按照1:50 0，1:10 0 0，1:2 0 0 0 地形图航空摄影测量外业规范要求，进行像控点布设，像控测量实施流程如图2 所示，测区踏勘、资料分析像控点选刺像控点观测刺点像片整饰数据解算成果整理提交图2外业像控测量流程图根据测区地形特征、航摄资料和生产经验，采用区域网布点方案。平均150 m布设一个地标点。外业像控测量点完成覆盖整个测区，共设112 个控制点（图3）。图3外业像控测量点覆盖图16测现第46 卷绘代2.4南京明城墙实景三维模型构建采用PhotoMesh三维建模软件，对获得的倾斜影像数据进行数据预处理、空三加密、模型构建、三维模型修改及整理（图4）。测区划分倾斜摄影分区成果数据预处理数据检查匀色空三加密空三加密模型构建纹理贴图TIN构建点云匹配数据分块三维模型修改模型检查楼模型修改不合格检查检查合格实景三维成果模型图4实景三维模型制作流程图2.4.1影像数据预处理航摄作业完成后，需对提交的航摄成果进行整体检查，包括影像质量及格式、曝光点位置记录信息（POS）、影像重叠度、相机参数等。检查航摄5个镜头的影像亮度与颜色是否基本一致，若差别较大则需要根据影像类型，分别制作对应色调模板进行批量匀光、匀色（图5），保证影像纹理细节信息不丢失、整个测区整体色调一致，且单张航片不偏色图5影像匀光、匀色处理（右图为处理后影像）2.4.2空三加密空三加密结果直接决定模型质量和定位精度。采用PhotoMesh软件在各级影像上利用同名点自动匹配和自由网光束法平差，实现同名点匹配；然后通过建立连接点和控制点坐标文件，结合GPS/IMU信息，实现多视角影像自检校区域网平差送代；最后通过多次反复联合解算，建立南京明城墙及周边环境的实景三维模型2.4.3模型构建PhotoMesh节点以云的方式组织管理，在实际生产过程中根据作业区范围，划定建模区域，以作业区域中心点为原点，自动进行分块；对分块内包含的所有影像进行点云匹配计算，自动选择不同视角的最佳像对模型，生成高密度点云；对点云进行处理，构建不规则三角网（图6）并基于内在几何关系对模型完成平滑和优化处理；根据TIN网中每个三角形的空间位置从影像中获取与模型相对应的纹理，构建完整的三维模型并输出指定格式成果。图6不规则三角网浏览模型并检查是否存在纹理扭曲、破洞，整体场景有无悬浮物体等问题，并使用PhotoMesh编辑模块对模型核查发现的不合格模型进行处理。集中整理三维模型，编写索引文件并分区打包三维成果，图7 为中华门瓮城倾斜摄影构建的三维模型图7中华门瓮城三维模型2.5问题及解决方法遇到的主要问题涉及航摄成果和实景三维模型，如部分像片颜色较暗、实景三维模型上存在漂浮物、个别实景三维模型结构扭曲、部分实景三维模型纹理拉花等（图8）。图8实景模型构建中出现的部分问题对于部分像片颜色较暗的数据后期进行调色第2 期敏等：南京明城墙遗产保护与可视化展示处理，不合格模型使用PhotoMesh编辑模块进行处理。拉花、破洞通过对模型进行点云编辑、TIN编辑和纹理编辑完成修改；漂浮问题通过对模型上的漂浮物进行删除处理2.6南京明城墙三维模型的可视化展示为了实现南京明城墙三维模型的科学管理和可视化展示，开发了数据成果管理系统。系统基于.Net平台，采用分布式多层架构，主体采用C/S方式。采用PostgreSQL开源数据库（含PostGIS模块），可存储空间数据、属性数据和图片数据，前端采用JavaScript和3DGIS技术，实现点云数据、三维模型数据、属性数据和照片的统一查询和展示。系统采用二、三维方式直观的展示城墙及周边环境、内部人防等复杂空间关系（图9）。图9南京明城墙的倾斜摄影实景模型与3Dmax构建模型融合展示3结语利用本方法已完成南京明城墙现存遗址约计25.5km的实景模型构建，为中国明清城墙申遗的城墙预警监测平台提供重要基础数据并形成数字档案，有效地保护了城墙本体及其所处环境的真实性和完整性，提高了综合管理水平。以城墙实景模型为主体的宣传视频也在南京明城墙历史博物馆中成为公众服务产品。倾斜摄影技术构建实景三维模型真实、高效、精确、成本低，也使南京明城墙的动态监测成为可能，而监测区域变化的智能识别、数据自动更新是目前存在的主要技术壁垒。参考文献孙运豪，朱明娥，李明，等.南京城墙铭文砖数字化采集与保护方法研究J.地理信息世界，2 0 2 0，2 7（3）：120-125.2 张宁宁，李敏.现代科技理念在南京城墙保护管理中的应用J.改革与开放，2 0 19（19）：2 2 一2 53赵云，王少华，严绍军，等.文化遗产数字化展示研究M.武汉：中国地质大学出版社，2 0 16.4孙金，孙长乐，关广丰.基于二维工程图的三维CAD模型自动构建方法J.计算机科学，2 0 19，46（Z2）：42 一46.陈建忠，盛业华，孙云清利用城镇地籍数据快速构建城市三维模型的方法J.中国土地科学，2 0 11，2 5(3):8589,97.6 邓诗元，张明帆.湿地景观区三维模型构建方法仿真研究 J.计算机仿真，2 0 19.36（1）：358 一36 1.7陈赫曦。倾斜摄影测量的城市真三维模型构建办法研究 J.科学与信息化，2 0 2 0（34）：39.8郭如宝，郝利娟，刘旭东，等.基于倾斜摄影的实景三维单体化模型构建方法J.测绘通报，2 0 2 1（1）：10 3一10 7.9孙宪龙，韩季涛，周丽娟，等.一种基于室内点云数据的建筑墙线提取J.测绘工程，2 0 2 1，30（2）：6 5一7 1.10刘心悦.文旅融合背景下南京城墙的保护与利用.文物鉴定与鉴赏，2 0 2 0，17 6（5）：16 2-16 3.11张宁宁，李敏.现代科技理念在南京城墙保护管理中的应用J.改革与开放，2 0 19，52 0（19）：2 2 一2 5.Heritage Protection and Visualization of Ming City Wall in NanjingWANGMin,LV Cheng-li?,DUWei-ji(l.Nanjing Institute of Surveying,Mapping&.Geotechnical Investigation,Co.Ltd.Nanjing Jiangsu 210019,China;2.Hongze Branch of Huaian Natural Resources andPlanning Bureau,Huaian Jiangsu 223100,China)Abstract In order to provide real basis and foundation for the application,protection and museum exhibition of theMingdynasty city wall,it is necessary to scientifically and comprehensively investigate and record the information using digitalmeans.According to the distribution characteristics and the regulations of protected areas,the three-dimensional model of thecity wall and its surrounding environment is constructed by oblique photography.This paper summarizes the technicaladvantages and production process of UAV oblique photography method,and takes the south of city wall about 6.1 km as theresearch object.The DM-X402H oblique photography UAV platform is used to complete data acquisition.which carries theoblique aerial camera,ground control system and GPS navigation control system.The PhotoMesh software is used to constructthe three-dimensional real model.Finally,using City Maker 3D engine and NET framework to complete 3D model visualization.The method truly,rapidly and accurately reproduces the city wall and surrounding environment,making it possible to establishspatio-temporal database and realize dynamic monitoring.Keywordss Nanjing Ming dynasty city wall;heritage protection;oblique photography;real 3D model;visual display