基于相机的考古遗迹多视角三维重建内业处理技巧

考古现场的三维重建多依赖无人机进行数据采集，但面对单个遗迹或者考古大棚/方舱内的遗址时，无人机难以安全胜任采集工作，需要相机采集多视角影像配合像控点完成遗迹的三维重建，并常用Agisoft Metashape（原来的Photoscan）对相机/无人机影像建模，获取遗迹的三维模型及衍生的4D产品。

Metashape操作简便，且拥有良好的空中三角计算算法。但其缺陷也很明显：它无法输出高精度的三维网格模型，其支持的三维模型格式也不便于GIS分析和共享。

由于软件特性，Metashape仅支持OBJ、FBX等三维模型文件格式，而实景三维模型主要的格式OSGB则不支持。因此对于高分辨率实景三维模型的重建内业往往交由Context Capture、瞰景Smart 3D、大势智慧重建大师等软件执行。而这些软件相比Metashape而言，需要在空三阶段在每张照片上找出控制点位置并且手动刺点，步骤繁琐且容易空三失败。

基于上述原因，我们可将Metashape和CC、重建大师等软件结合起来，充分发挥这两种类型软件各自的优势，完成考古遗迹高精度三维建模，输出可供浏览、分析和共享的三维文件。

1｜Metashape

基于多视角影像的三维重建第一步需要匹配特征点，专业术语称之“空中三角计算”（简称空三）。空三的原理此处限于篇幅，感兴趣的伙伴可以自行检索词条了解。相较于CC、重建大师等软件，Metashape的空三算法较好，同等条件下匹配点数量多，且支持在密集点云上布设像控点。因此空中三角计算和刺点工作交由Metashape完成。

图1 Metashape工作流程选项卡

首先将影像（或影像档案夹）导入软件中，在软件上方工具栏中点击“工作流程”（图1），依次点击“对齐照片”（该步骤生成的是稀疏点云（图2）。这一步如果是无人机建模或照片自带EXIF位置信息的话可以不用生成密集点云，但针对需要刺点的相机建模工作，稀疏点云不能很好显示像控点的中心点，需要继续生成密集点云）和“生成密集点云”。

图2 稀疏点云

图3 密集点云

等待软件解算完成后，窗口显示遗迹的密集三维点云（图3）。此时，我们从密集点云上可以清晰识别出像控点的位置及其中心点（图四）。这时我们可以进入刺点环节。

图4 密集点云模型上的控制点

在刺点前，需要在软件上方工作栏依次选择“视图”-“参考”，左侧工作区域进入“参考”界面。进入参考界面后，需要点击“设置”（图5）进入参考设置界面（图6），根据布设控制点时RTK工程预设的坐标参考系对Metashape参考进行重新设定（Metashape新工程默认Local坐标系，即局部坐标系，如果采用WGS84或CGCS2000需要重新设置），设定完成后点击确定，软件即应用我们重新设定的参考系了（图7）。

图5 视图选项卡选择“参考”调出刺点工作区

图6 “参考”工作区

图7 参考系设置界面，必须保证坐标系统、Camera reference 和Marker reference三个选项内的坐标系（大地坐标/投影坐标系）均为一致，否则可能导致刺点错误

接下来就是进行刺点。刺点时先用滑鼠将密集点云视图放大到目标像控点，然后将光标放置在像控点中心，右键激活选项框（图8），选择“添加标记”，此时软件界面左侧的参考工作区内的像控点表格会显示“Point1”（首次刺点默认P1，后面依次递增编号，见图9）

图8 刺点选项卡

图9 像控点表格

此时表头会有“东距”“北距”“高程”三个参数，分别对应像控点的东经、北纬和高度（如果是投影坐标系，则是东坐标、北坐标、高程），用户仅需将对应像控点的坐标数字输入进去即可（图9）。

完成像控刺点后，将所有控制点全部选中（图9左侧全部打绿色的钩，即为所有控制点选中），再点击参考工作区的刷新控件（图10），此时密集点云已经应用了我们刺入的像控点，参与密集点云的影像均具备了坐标信息（图11）。

图10  刷新参考，应用刺点结果

（刷新控件即黄色窗口Update Transform左上方环形箭头）

图11 应用刺点后的密集点云，已经携带了位置信息

完成1.1和1.2的工作后，Metashape的任务到此结束。此时我们需要将上述刺点后的成果导出为空三文件，以便进入CC完成后续建模。

在Metashape软件界面依次点击“文件”“导出”“导出相机”（图12），此时软件会弹出导出文件夹视窗，在导出格式中选择“Block Exchange(.xml)”（图13），此格式能被CC、重建大师瞰景Smart 3D等主流实景三维建模软件识别为空三成果，并携带刺点结果。

图12 开启“导出”功能选项卡

图13 格式选择

（选择Block Exchange .xml）

需注意，如果使用CC完成后续建模，导出的空三结果必须使用英文名称，中文名称无法被CC识别路径，会在导入CC时失败。

图14 检查导出的空三文件空间参考信息

导出后，Metashape会弹出导出设置此时检查坐标系统与刺点时设置的是否一致，并且确认“控制点”和“连接点”均以勾选后，点击OK即可完成导出（图14）。此时，空三结果已经保存在预设的文件夹中，我们可以check out了！

2｜Context Capture

在这一阶段，我们可选择的软件就比较多了。常用的有Context Capture、大势智慧的重建大师、瞰景Smart 3D。这些软件的操作大同小异，所以我们选用考古工作者用得较多的Context Capture为例示范如何将Metashape内的空三成果应用于实景三维高分辨率模型重建。

新建CC工程后，进入图15所示界面。在软件窗口左侧的状态栏中点击工程名称（这里的示范文件为TEST），此时软件界面右侧会显示“导入区块”的按键。点击之后弹出文件夹，将刚才处理好的xml空三文件导入CC工程。导入完成后，CC会提示“数据完整”（图16），此时可以在“数据完整”字样上方的选项卡中选择“影像”（图17），检查影像定位状态，完成后选择“测量”，检查影像刺点情况（图18）。检查无误后回到“概要”，点击右下角“新建重建任务”，选择“三维重建”。

图15 CC工程初始界面

图16 导入空三文件后显示“数据完整”

图17 检查影像刺点匹配识别情况

图18 影像刺点情况检查

在三维重建中，我们需要对待重建的模型进行参数设置（图19）。

图19 模型分块、空间参考设置

首先是设置其参考坐标和分块。由于空三结果自带参考系，CC可以识别，这一块我们仅需检查模型重建时预设的坐标系是否与空三一致即可；分块设置则是实景三维重建的一个重要环节，用户需要根据自身电脑的RAM内存大小设置合适的分块，以便电脑能承担处理任务（一般单块设置为16G RAM占用，如果内存较大，可以适当增加。CC处理推荐电脑RAM在16G以上）。

图20 设置孔洞填充模式

完成后在处理设置中将孔洞填充模型选择为“填充除瓦片边界以外所有的孔洞”（图20）。完成后返回“概要”，点击右下角“提交新的生产项目”

提交生产后，进入生产项目定义选项卡。该环节最重要的是设置生产目的和格式。目的选择“三维网格”；生产格式选择OSGB，照片质量选择100%；空间参考系统选择与空三一致的坐标系（该处默认为Local坐标，需要手动更改为大地坐标系），完成后提交生产进入跑图。

完成后即可得到OSGB实景三维模型（图21）。CC工程输出的模型一般存储在工程文件夹下的production内，包含一个Data文件夹和一个后缀为XML的metadata文件（该文件定义了模型的原点、大地坐标和投影坐标，如果在GIS软件、实景三维展示平台上开启模型必须要同时携带Data文件夹和metadata文档）。

图21 生产完成的墓葬实景三维模型

值得关注的是，CC生成的OSGB实景三维模型支持导如图新地球、ArcGIS Pro等主流GIS软件（图22），用于展示、数据存储和考古分析的后续进阶操作。

图22 OSGB导入ArcGIS Pro内执行分析

1. 在重建工作流中，空三、刺点、模型重建等环节必须保证空间参考一致，不允许中间有任何一个环节出现不同的空间参考。设置空间参考的基准以布设像控点时RTK测绘杆记录时设定的参数为准。

2.相机建模时，需要在拍摄中关闭照相机的“相片定位”功能，避免拍摄重建影像时相机利用机内GPS将不准确的坐标信息写入影像EXIF中，影响后期刺点和重建。