手持三轴云台支持的考古近景摄影测量新探索

多视角三维重建已经成为获取考古遗迹实景三维数据的主要技术。对于遗址全景的三维模型，可以通过无人机倾斜摄影测量采集；而针对单个探方或遗迹的则需要以相机进行近景摄影测量获取三维重建所需的原始影像。无人机倾斜摄影测量能准确控制影像重叠率、拍摄角度、位置信息等参数，获取高质量的原始影像，原因在于其相机有三轴云台的支持。三轴云台通过伺服电机运动控制相机的姿态角度，并能够抵消因飞行产生的相机振动，保障画面的稳定性，进而提升倾斜摄影测量的准确度与效率。

相比之下，手持相机开展摄影测量则无法稳定准确控制相机拍摄角度，也无法有效控制拍摄照片的重叠率。为保障一次采集成功，考古工作者会倾向拍摄更多更密集的照片。此方法虽然可以确保建模成功，但冗余数据太多，一方面建图处理的计算量较大；另一方面也需要更大的存储设备储存数据，造成资源浪费。

本研究从无人机倾斜摄影技术上得到启发，以专门的三轴云台稳定器搭载相机，设计一套低成本、可稳定和控制相机姿态的考古近景摄影测量方法，以便考古工作者能高效率、高质量采集考古遗迹实景三维所需的影像数据，促进多视角三维重建技术更便捷、准确地应用于考古数字化工作。

二、适用对象和设备配置

2.1适用范围

无人机在大面积倾斜摄影测量上有着巨大优势，但在考古现场工作中，对单个探方、遗迹的实景三维模型获取还得依赖相机近景摄影测量。

第一，单个探方或遗迹需要采集高精度三维模型，而市面上常见的无人机相机CMOS尺寸较小且像素较低，拍摄质量不如APS-C幅或全画幅相机；

第二，单个探方或遗迹的记录频次远高于遗址全域三维模型的记录频次，而无人机电池续航较短，无法连续执行高频次的三维摄影测量工作；

第三，拍摄单个探方或遗迹三维模型时，为保障光线均匀与阴影，人们通常会架设遮光布，无人机在遮光布下飞行隐患较高，容易出现坠机，对工作人员和遗迹造成伤害。基于上述三点原因，对单个遗迹和探方的摄影测量，多采用相机近景摄影测量技术。

三轴云台支持的相机近景摄影测量方案，就是针对探方和单个遗迹设计的。本方案适用于小于等于10*10m尺寸的探方；遗迹方面，则适用于长宽在50m以内的遗迹现象，包含墓葬、灰坑、小型房址等，能涵盖田野考古常见的遗迹类型。此外，在深度在3m以内的遗迹或探方，可以通过延长杆实现无接触式摄影测量，人员拍摄遗迹底部细节时只需要站在地面上将云台相机伸下去即可。对于面积较大却不便使用无人机拍摄的考古遗迹，则可以通过大区分割的方式，采用本方案经由多人协作完成。

2.2硬件配置

图一  三轴云台支持的相机近景摄影测量硬件

本方案硬件包含两大部分：照相机和相机专用的三轴云台。相机方面，推荐使用全画幅无反相机，搭载24-70mm焦距镜头，像素在2000-3000万区间，总质量控制在2kg以内即可；而三轴云台稳定器则选择承载能力在2-3kg左右，具备平移轴、横滚轴和俯仰轴结构，能满足相机基本姿态稳定和角度控制即可。此外，稳定器手柄底部要具备拓展螺纹口，以便安装延长杆应对较深的遗迹或探方的近景摄影测量工作。

图二 DJIRSC2稳定器四种工作模式

笔者在实际工作中采用了索尼A7M3全画幅无反相机配合大疆RSC2相机专用三轴云台（图一）。相机方面，A7M3可拍摄最大24MP像素影像；稳定器方面，RSC2机械限位数据为横滚轴 -240° 至 95°、俯仰轴 -112° 至 214°、平移轴无限位；支持正立、倒挂、手电筒等拍摄姿态（图二）；续航时间约14小时，能满足单日田野考古遗迹三维测绘工作。

三、作业流程

3.1设备调试

手持云台和相机在现场使用前需要安装，安装方式可参考手持云台的用户手册。首次安装时，还需要根据相机型号进行平衡调节。调平顺序按照俯仰轴-横滚轴-平移轴依次进行。

在平衡调节过程中，每次只能调整一个轴臂，其他轴臂在待调节时必须保持锁止状态。调平结束后，将所有轴臂解锁，确保搭载相机后，横滚轴、俯仰轴和平移轴在手持杆正立状态下不上电解锁，均能保持水平静止。首次调平完成后，最好记录下各轴安装刻度的数值，方便下次安装时迅速找准调平安装位置，节省安装时间。如果还出现不平衡状态，可以通过自动校正来补偿。

手持云台和相机组装完毕后，还需要设置云台的跟随速度，对于近景摄影测量而言，跟随速度不需要过快，以免出现画面模糊或者拍摄脚步跟不上云台姿态的问题。以笔者配置的A7M3+RSC2为例，跟随速度设置在15-20左右即可。此参数调节因拍摄者而异，可根据现场作业情况灵活调整。

相机拍摄参数方面，可以比照无人机倾斜摄影测量进行设定。首先，镜头焦距选择24mm即可；其次，在具备遮光布的环境下，可采用相机全自动档位拍摄，采集的影像参数、色彩基本一致，三维重建时不会出现较大的色差；第三，对于光线较为复杂的场景，则采用快门优先模式，调节快门至1/800-1/1250之间，确保成像清晰。最后，在执行拍摄任务前，需要连接快门线，确保手持云台能识别并且控制相机快门，RSC2还支持在连接快门线后，透过智慧手机蓝牙控制相机快门，实现远距离控制拍摄。

3.2拍摄方案

在手持三轴云台支持下，采用相机近景摄影测量时可以准确控制相机俯仰角度，配合云台正立、倒挂、手电筒等工作模式，即可模拟无人机倾斜摄影测量的工作方式，对遗迹或探方进行更为精确的测绘。

在拍摄前，需要布设3-4个地面控制点。控制点可以放置在探方或遗迹开口拐角处地面，一般布设3个，确保控制点围成的平面与遗迹开口平面一致；在遗迹底部布设1-2个控制点，作为高程控制点用于测算遗迹深度信息。

图三 第一组近景摄影测量机位

影像采集分为三组（拍摄模式等信息可参见本节末表一）。第一组将云台设置为正立模式，调整云台俯仰角于-50°至-60°间，环绕遗迹拍摄一圈，将遗迹开口连带周边50cm-100cm（视现场条件而定）的原始地面一并拍摄，本组影像是为了获取遗迹开口连带地面控制点的多视角信息（机位示意见图三）。

图四 第二组近景摄影测量机位示意图

第二组需要将云台调整为手电筒工作模式，以正投影机位拍摄。手持云台，将相机伸到遗迹上方约70-100cm高度，调整云台至-90°，使得相机视角与地面垂直（即正投影视角），环绕墓葬拍摄一圈，注意将遗迹开口边缘以及遗迹底部的正投影照片拍摄到位，本组影像是获取顶视地物信息，为生成正射影像提供条件（机位示意见图四）。

图五 第三组近景摄影测量机位示意图

第三组拍摄时应改为倒挂模式，手持云台向下，调整云台角度于-30°至-45°间，然后将云台手持杆伸入遗迹开口，拍摄四壁和遗迹内的各类遗物，此组照片旨在获取墓内各种实物遗存的位置和纹理，方便后期执行三维重建工作。

针对墓葬等遗物较多的遗迹，还需要用倒挂模式将相机伸入底部，环绕一周拍摄底部遗物细节，确保后期重建时能还原较为细小的实物遗存（机位示意见图五，三组影像合并机位见图六）。拍摄完成后，应检查采集影像，确保同一组近景摄影测量原始照片焦距、色彩基本一致，以免重建时出现色差等异常情况。（整体方案拍摄照片组的参数和方式参见表一）

图六 三组近景摄影测量影像合并后执行三维重建处理界面

示意图由段文瑜绘制

3.3数据后处理

数据后处理与一般的倾斜摄影测量一致。考古工作者可根据条件选择Agisoft Metashape或Context Capture执行。笔者实践中发现，Agisoft Metashape处理空中三角计算，匹配控制点生成密集点云的质量较高，而Context Capture则在生产OSGB格式的模型方面优势明显，因此在处理时，可将两者结合起来使用，生成高质量的遗迹或探方三维模型。

首先，将采集的影像导入Agisoft Metashape中，在“工作流程”界面依次执行“对齐照片”“生成稀疏点云”和“生成密集点云”，等待处理完成后界面显示遗迹密集点云时，将对应的像控点刺入指定位置，完成刺点工作。

完成上述工作后，使用Agisoft Metashape导出功能，选择“导出相机”。在导出文件格式中，点选“Block Exchange XML”格式。该格式是能被Context Capture识别，进而生成三维模型的空三文件。导出该文件后，开启Context Capture新建工程，将Block Exchange XML文件导入后，进入模型重建参数设置，指定重建范围、空间参考、模型格式、精度等数据，即可执行重建。重建完成后，软件会生成OSGB格式的模型文件（图七），可供考古工作者进行资料存档、绘图、空间分析等工作。

图七 三轴云台支持的近景摄影测量生成的墓葬实景三维模型

4.1优势

相较于手持相机而言，三轴云台进一步控制了相机的姿态、拍摄角度等参数，能辅助考古工作者快速、高效进行遗迹或探方等小面积考古现象的高精度摄影测量工作。其优势表现在以下四个方面：

首先，三轴云台可以透过控制面板和摇杆准确控制相机俯仰角度，能拍摄倾斜和正投影等多角度的影像，确保遗迹每个面都能被拍摄，优化了相机外参，后期空间三角测量以及三维重建的成功率和质量较高；

其次，三轴云台借助延长杆、图传模块等拓展配件，使得拍摄者在面对较深的遗迹或探方时，无需下到底部即可拍摄遗迹底部细节，可在地面上完成全过程作业，减少因人为走动扰乱或影响遗迹的整洁度，也降低因上下遗迹或探方带来的安全隐患，对于底部空间狭小，人员不便进入的遗迹也能完成拍摄；

第三，由于准确控制相机姿态和稳定度，考古工作者能对拍摄照片组进行预规划，减少冗余拍摄量，以笔者测量的墓葬为例，使用三轴云台拍摄的原始照片平均为200张，而手持相机拍摄则需要350-400张才能确保一次重建成功，相比之下，三轴云台辅助方案能节约50%左右的数据冗余，提升后处理效率；

最后，相比于架站式三维扫描仪等高精度地面测绘设备而言，手持三轴云台稳定器价格较低（3000元以内的设备即可满足要求），具有普及可能性。

4.2局限性

目前手持稳定器在相机近景摄影测量的应用较少，对于考古工作者而言，还存在一部分局限性。第一，手持三轴云台和相机的安装需要调平、校准等操作，对于初学者而言相对复杂，不熟练的情况下现场组装时间较长；第二，手持稳定器无法快速调节相机拍摄参数，只能在作业前提前设置相机快门、光圈、ISO，如遇到光线变化较大的情况，有可能出现较大色彩，需要后期对三维模型进行整体匀色；第三，手持稳定器搭载相机后较重，对于臂力较小的工作者可能无法连续作业。

这些局限主要是硬件方面造成的，但瑕不掩瑜。手持三轴云台对考古近景摄影测量精确度和效率的提升，远远超过了手持相机直接拍摄，为探索高效率低成本的精细考古实景三维建模提供了新思路。

五、结论

随着考古数字技术的普及，考古现场信息记录也正在由二维向三维转变。遗迹和探方作为考古发掘的基本单位，对其三维信息的采集和处理需要精确，才能充分利用三维重建技术的优势，记录更多的现场考古信息。

相机近景摄影测量作为考古现场最常见的三维数据采集技术，在手持三轴云台稳定器的辅助下，具备了类似无人机倾斜摄影测量的能力，让考古工作者能够更准确、稳定地控制相机姿态，以最精简的方案、最低的成本拍摄出能生成高质量实景三维模型的原始影像，促进考古多视角三维重建技术的发展，也为深入利用考古三维数据，开展数字考古研究提供有力支撑。