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数字化技术在左江花山岩画保护与展示中的应用实录

作者:DCT数文科技发布日期:2016-07-25 08:46

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2016年7月15日,联合国教科文组织世界遗产委员会第40届会议审议通过“左江花山岩画文化景观”列入《世界遗产名录》,花山岩画成为中国第49处世界遗产、广西壮族自治区第一处世界文化遗产,也是中国第一处以岩画为主题的世界文化遗产。

壮美花山

项目背景

广西左江流域是我国西南文化圈的一个重要组成部分,早在旧石器和新石器时代古人类就栖居于此。壮族先民古骆越人在这里狩猎耕耘、繁衍生息,在左江流域两岸的崖壁上创造了大量色彩鲜艳、形象生动、让后人赞叹不已的岩画。岩画以人像为主体,人像皆裸体跣足,作举手曲膝的半蹲姿势,辅以马、狗、铜鼓、刀、剑、钟、船、道路、太阳等符号、图像,再现了古骆越人当时祭祀、狩猎等社会活动场景。

棉江花山岩画数字拓印与现状影像套合图

左江岩画群分布于广西左江流域宁明、龙州、崇左、扶绥、江州等县区境内。目前,已发现的岩画点有89个(含189处、300组, 图像总数约为5000个),其中沿江分布的岩画点有65个。以宁明花山、龙州棉江花山等岩画点为突出代表,左江花山岩画具有整体规模宏大、单体气势雄伟、个体人物体形硕大“三大”特征。经过学术界几十年的调查考证,这些形象逼真、神秘莫测的岩画,绘制年代可追溯到春秋战国时期,距今已有2600多年的历史,在世界民族岩画史上享有独特地位。

    项目涉及的左江24处岩画点分布图

在岁月的沧桑更迭中,由于长时间受到自然环境变化及人类活动等因素影响,左江岩画积存了危岩体、裂隙、溶蚀、风化、片状剥落、沉积物覆盖等病害,近一半面积的岩画本体有脱落现象,有的岩画所在的岩壁开裂,一些岩画表层颜料褪色。针对上述病害,广西近年来不断进行大规模保护和修复工作,并于2012年12月1日正式施行广西首个针对文化遗产保护出台的地方专项法规——《广西壮族自治区左江岩画保护办法》,而成功申报世界文化遗产,更是保护和展示这一壮族先民伟大创造的重要里程碑。

2013年10月,由广西民族博物馆、广西宁明县文物管理所组织实施、武汉数文科技有限公司(以下简称“数文科技”)提供技术支持的“广西左江岩画数字采集及成果应用开发项目”正式启动。

棉江花山岩画点

项目内容

项目内容主要包括:岩画空间及纹理信息采集、高清岩画整体立面图、岩画黑白数字拓印、岩画山体所处场景的全景高清影像、岩画所处场景及立面岩画高清宣传视频制作、展示及应用管理系统集成软件开发。

技术路线

通过前期试点和详细分析试点采集到的数据样本,综合考虑申遗点数字化保护和展示需求,项目团队确定了项目系统总体架构,制定了总体技术路线和具体实施步骤。

项目系统总体架构如下图所示:

项目系统总体框架图

本项目数据采集、处理与应用流程如下图所示,可满足全方位的数据采集、处理、建模、场景再造、全景浏览和展示发布等应用要求。

      左江岩画数据采集处理与应用流程图

项目实施

通过前期踏勘调研发现,左江岩画均分布在陡峭的临江岩壁上,画面从山脚2米开始绘制,最高处达40余米,其中以5-20米高的中间部分画像最多;岩壁下面是河流,对面是台地,台地外围是茂密的树林,外业操作实施难度很大。为此,数文科技整合了来自遥感、测绘、软件开发等多个领域的专业人才,专门组建了43人的项目实施团队,其中项目管理人员2人、外业数据采集人员15人、内业数据处理人员23人、技术支持专家3人。

考虑到宁明花山岩画点当时正搭建脚手架对岩画进行保护和修复,外业工作无法开展,对该岩画点的数据采集只能后延。该项目实施步骤分为三个阶段:

第一阶段历时8个月,采用特制八旋翼无人机搭载5D Mark II相机系统,完成了23处岩画点立面图、8处岩画点空中全景和棉江花山岩画点空中视频拍摄,制作得到立面图、数字拓印、空中全景、空中视频等大量数据成果,并完成展示应用管理系统开发。

第二阶段历时5个月,采用0.5″全站仪Leica TS30完成了3处岩画点崖面控制测量,制作得到可精准量测的岩画立面图成果。

第三阶段历时4个月,综合运用Riegl VZ-400中远距离三维激光扫描仪、八旋翼无人机、高精度全站仪和高清全景拍摄系统等多种仪器设备完成了宁明花山、高山等剩余岩画点外业采集和内业成果生产工作。

岩画三维激光点云数据采集

宁明花山岩画山体整体点云

岩画山体控制点测量

本项目是国内首次运用航空摄影测量、地面控制测量、三维激光扫描等多种数字测绘技术实现岩画全方位、高精度的数字化成果采集与制作的案例。无论是采集环境还是技术流程均存在极大的难度和风险。

由于岩画测量区域大多位于高耸且近乎垂直的峭壁之上,峭壁之下是平均200米宽的左江,峭壁对岸为茂密的树林,视线遮挡严重,传统的地面摄影测量方式难以完整、精确地采集岩画影像信息。在项目实施前期,实施团队一度因为地面拍摄数据的质量过差而陷入“绝望”。公司专家顾问团队经过反复论证,提出了一个大胆思路:运用旋翼无人机搭载专业单反相机近距离以正射角度采集岩画的影像数据,解决视线遮挡、拍摄仰角过大等关键问题。项目实施团队按照专家顾问团队推算的JSD(地面分辨率)、影像重叠率、拍摄距离、镜头焦距等核心参数开始航飞技术测试,先后在武汉东湖磨山、江夏龙泉山等类似项目作业环境进行了100余架次的航拍测试,并制作出满足项目技术要求的试验数据。

   工程技术人员操控无人机进行岩画高清影像采集

随后,项目实施团队赶赴广西左江岩画采集现场,正式开始项目外业数据采集。然而,现场航拍时却发现,无人机拍摄的影像JSD不是过低就是过高,完全无法均衡控制。这将直接影响到航拍影像的拼接和精度。在多次尝试失败后,项目负责人组织核心工程技术人员通宵开会分析问题,找出了问题的症结所在:前期在磨山、龙泉山等类环境下试飞时,测试人员没有充分考虑到无人机在靠近崖面拍摄时受到空气乱流和卫星失锁的影响,飞机的姿态不稳定,且无人机飞控手在几百米的距离外难以准确捕捉无人机状态并做出相应调整,导致飞机大幅偏离既定航线,最终导致数据质量不达标。为了解决这一难题,项目实施团队决定在当地租用一艘民船,在船上跟拍。这样,飞控手与无人机可以保持在有效的动态距离内,当无人机姿态发生漂移时,在船上的飞控手可以快速洞悉并调整控制。经过多次磨合试飞,工程人员终于采集到了符合项目技术要求的原始影像。

    外业工程师在船上起降无人机拍摄岩画影像

项目成果

项目实施团队历时一年半,取得了丰硕的项目成果:完成24处岩画点空间及纹理信息采集,获得影像4877张、点云65套、控制点1615个;完成24处岩画点可量测立面图制作160张、24处岩画点黑白拓印制作169张、24处岩画点地面全景制作和空中全景制作51张;拍摄岩画所处场景及立面岩画高清宣传视频5个;完成岩画数字成果展示及应用管理系统开发1套。


  岩画网上数字展示及应用管理系统


棉江花山岩画局部立面图及黑白数字拓印

棉江花山岩画高清数字拓印

渡船山岩画点空中全景

岩画高清航拍视频截图

项目创新

本项目综合应用无人机航测技术、三维激光扫描技术、工程测量技术、三维建模技术、虚拟现实技术和3S技术开展了科学系统的岩画数字化工作,在国内尚属首次。在左江花山岩画早期申遗的材料中,由于缺乏精确的数据支撑,在对岩画进行描述时常常会用到“估计”、“大约”、“大概”等词汇。本次项目获得了精确到毫米的岩画尺寸及纹理信息、高清数字拓印、山体整体点云、岩画局部立面图、高清航拍视频等创新成果。这些创新成果直接应用于左江花山岩画申遗文本的撰写,弥补了早期申遗材料的不足。同时,本次项目成果将持续服务于岩画各学科领域研究、岩画修复、岩画博物馆陈列展示及文创产品开发,更可通过数字化传播让这隐藏于桂西深山的壮族历史文化瑰宝得以面向公众,向全世界鲜活展示古骆越人独特的民族文化内涵和丰富的精神世界。 

2015年10月19日,“广西左江岩画数字采集及成果应用开发项目”在广西文化厅顺利通过专家组评审验收。广西壮族自治区文化厅副厅长、文物局局长顾航指出,左江岩画数字采集项目综合运用各类数字化、可视化技术,提高了左江岩画保护工作的科技水平,对岩画的保护及研究工作具有极为重要的意义。广西壮族自治区文化厅副巡视员、文物局副局长谢日万认为,左江岩画基础数据采集及相关成果应用开发工作是突破性的、颠覆性的,为岩画成功申遗和后续研究工作提供了很大的帮助。

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