實(shí)景模型在傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館中的應(yīng)用

李佳俊， 徐輝， 趙大偉

(中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院學(xué)術(shù)信息中心，北京 100044)

0 引言

近年來無人機(jī)三維實(shí)景建模技術(shù)的快速發(fā)展使其在地形測(cè)繪、應(yīng)急救災(zāi)、土地確權(quán)、數(shù)字城市、名城保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)二維影像相比，三維實(shí)景模型帶有高程信息，能形象地還原測(cè)區(qū)的地形地貌與地物信息，不僅可實(shí)現(xiàn)二維空間分析，還可用于可視域分析、日照分析、水淹分析等三維空間分析，并且可以生成真正射影像、數(shù)字表面模型等衍生產(chǎn)品。在今后的空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，實(shí)景模型的生產(chǎn)已逐漸成為一項(xiàng)必不可少的遙感技術(shù)成果。

2017年以來，我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部已全面推動(dòng)傳統(tǒng)村落數(shù)字化工作。做好傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的建設(shè)已迫在眉睫?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的學(xué)者大多是將三維實(shí)景模型用于景觀設(shè)計(jì)、城市建設(shè)、災(zāi)害分析以及虛擬仿真等領(lǐng)域，涉及到的三維實(shí)景模型以公園、城市、橋梁、壩體、地形及大型旅游景點(diǎn)為主； 國(guó)外的學(xué)者大多將其用于城市規(guī)劃，如Agency9公司通過加載城市的三維實(shí)景模型到cityplanner平臺(tái)中，完成了對(duì)城市興趣點(diǎn)的標(biāo)注與說明，再導(dǎo)入規(guī)劃師的不同方案，實(shí)現(xiàn)方案對(duì)比與發(fā)布。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于傳統(tǒng)村落范疇內(nèi)的實(shí)景模型研究還較少，原因主要有以下4點(diǎn)： ①數(shù)據(jù)采集有難度，村落內(nèi)的道路網(wǎng)緊密且狹窄，傾斜攝影系統(tǒng)很難捕捉到建筑物的側(cè)面紋理信息，加上植被的覆蓋，增加了實(shí)景模型的重建難度； ②影響飛行安全因素多，傳統(tǒng)村落的選址一般都依山傍水，天氣與自然環(huán)境條件較為復(fù)雜[1]，風(fēng)切變和氣壓變化都會(huì)對(duì)飛行器的起降點(diǎn)、飛行高度以及航線造成影響； ③技術(shù)規(guī)范不明確，三維實(shí)景模型的數(shù)據(jù)采集沒有相關(guān)的規(guī)范； ④交通可達(dá)性較差，許多傳統(tǒng)村落坐落于偏遠(yuǎn)山區(qū)，車輛難以抵達(dá)，常常需要人力攜帶整套作業(yè)設(shè)備徒步前往。

為了驗(yàn)證無人機(jī)三維實(shí)景快速建模技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館建設(shè)的可行性，本文以安徽省黃山市13個(gè)傳統(tǒng)村落為研究區(qū)，在計(jì)算飛行航線參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用DJI GS PRO地面站將參數(shù)輸入到飛行器的飛控端并實(shí)施數(shù)據(jù)采集任務(wù)，然后將預(yù)處理后的村落影像通過ContextCapture軟件進(jìn)行空三解算和重建模型，最終得到村落模型成果，并將該模型窗口在中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁(yè)中發(fā)布并調(diào)用； 同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)及處理時(shí)間進(jìn)行分析，以期得到數(shù)據(jù)采集與空三解算的時(shí)間的關(guān)系，以及模型數(shù)據(jù)量與面積的關(guān)系。同時(shí)本文對(duì)在氣候變化快 ，且地貌環(huán)境復(fù)雜的傳統(tǒng)村落分布地區(qū)實(shí)施飛行任務(wù)提出了切實(shí)可行的建議。

1 村落概況與系統(tǒng)介紹

1.1 村落概況

本文中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的13個(gè)村落主要集中在安徽省黃山市，既有入選世界文化遺產(chǎn)的西遞村和宏村，也有一些如瀹坑村和汪村等不廣為人知的村落。它們都是徽派建筑和徽州文化的突出代表，雖然在建筑手法和村落選址方面有許多相似之處，但是根據(jù)所處地理環(huán)境的不同，各村落之間也存在一些差異。例如，瀹坑村和汪村2村被夾持在2條相鄰的山脊之中，臨近山腳處被高聳的樹林植被所覆蓋[2]； 尚村由于處在梯田之中，村落地勢(shì)高差較大； 漁梁村臨近漁梁水庫(kù)壩，水域面積相對(duì)其他村落較大。這些差異主要表現(xiàn)在村落面積大小、地勢(shì)起伏程度、村落整體形態(tài)[3]、地物組成要素和建筑密集程度等5個(gè)方面。這些方面都會(huì)影響實(shí)景模型前期的數(shù)據(jù)采集以及后期的數(shù)據(jù)處理，所以全面了解村落情況，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案是獲取三維實(shí)景模型的前提。

1.2 系統(tǒng)介紹

三維實(shí)景建模系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集帶有全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)坐標(biāo)的多角度高空間分辨率影像； 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則將正常采集的影像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三解算、重建模型等流程獲得三維實(shí)景模型。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為硬件和軟件2部分。硬件即飛行平臺(tái)和掛載的傾斜攝影相機(jī)(圖1)，軟件指控制無人機(jī)飛行的地面站。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件部分Fig.1 Hardware of data acquisition system

飛行平臺(tái)為M600 Pro的六軸多旋翼飛行器，軸距1.13 m，最大起飛重量15.5 kg，最大續(xù)航時(shí)間30 min。搭配D-RTK動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)，飛行器的定位誤差可保證在水平1 cm，垂直2 cm以內(nèi)。傾斜攝影相機(jī)為五拼微單相機(jī)，鏡頭從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共5個(gè)不同的角度采集影像[4]，總像素大于1億像素。相機(jī)鏡頭為定焦鏡頭，焦距為10.4 mm，CMOS尺寸為13.2 mm×8.8 mm。最小曝光時(shí)間為2 s，重量為1.8 kg。

現(xiàn)在用于采集三維建模數(shù)據(jù)的主流地面站軟件有我國(guó)的Altizure，DJI GS Pro以及瑞士的Pix4D capture。其中Altizure和Pix4D capture針對(duì)單鏡頭多旋翼飛行器，且均為第三方產(chǎn)品； DJI GS Pro地面站為M600 Pro的官方地面站并且滿足五鏡頭傾斜攝影相機(jī)拍攝的需求，所以本次工作使用該地面站。該地面站除可顯示常規(guī)的飛行狀態(tài)(如飛行高度、飛行速度和飛行姿態(tài)等)以外，還能夠控制飛行器實(shí)現(xiàn)自主航線規(guī)劃，并根據(jù)照片重疊率、相機(jī)參數(shù)以及曝光時(shí)間自動(dòng)調(diào)整航線。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同樣分為硬件和軟件2部分，硬件指計(jì)算機(jī)，軟件指三維實(shí)景建模軟件。本次處理數(shù)據(jù)使用到了多臺(tái)計(jì)算機(jī)，部分計(jì)算機(jī)處理器為E5 1620 V4，顯卡為GTX 1080Ti，顯存為11 G，內(nèi)存為128 G，硬盤為2 T固態(tài)硬盤，本文中稱為一類機(jī)； 另有一臺(tái)計(jì)算機(jī)處理器為E5 2670 V3，顯卡為Quadro K5200，顯存8 G，內(nèi)存為64 G，硬盤為256 GB普通硬盤，本文中稱為二類機(jī)。

目前專業(yè)的三維實(shí)景建模軟件按照數(shù)據(jù)的存放位置分為2種，一種是將采集的數(shù)據(jù)放到云端處理，一種是將數(shù)據(jù)放在本地計(jì)算機(jī)處理。前者的代表為我國(guó)自主研發(fā)的Altizure，后者主流軟件有法國(guó)的ContextCapture、瑞士的Pix4D mapper和俄羅斯Agisoft公司的Photoscan等。Altizure只需要將采集的數(shù)據(jù)上傳到云端，無需人工干預(yù)就可得到模型成果，但是考慮到數(shù)據(jù)的保密性以及村落影像數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，Altizure并不適合傳統(tǒng)村落這種大場(chǎng)景的建模。Photoscan和Pix4Dmapper的處理流程較為復(fù)雜，而且每個(gè)村莊最終獲取的照片平均大于1萬張，處理的時(shí)間要大于ContextCapture。ContextCapture雖然提高了空三算法，但普通桌面版的程序還是有3 000億(300 Giga)像素的限制，這對(duì)于總照片數(shù)超過15 000的村落數(shù)據(jù)還是會(huì)有困難。所以本次工作中采用了ContextCapture Center集群版，該版本的程序解除了對(duì)總像素?cái)?shù)量的限制。

2 數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前首先對(duì)整個(gè)村落完成現(xiàn)場(chǎng)踏勘和各種準(zhǔn)備，包括起飛點(diǎn)的選擇和空域申請(qǐng)，以及村落范圍、村落形態(tài)、建筑密度、天氣條件、安全飛行高度等因素及設(shè)備參數(shù)的確定。數(shù)據(jù)采集主要包括傾斜攝影相機(jī)設(shè)置，航線規(guī)劃及實(shí)施飛行任務(wù)。

2.1 相機(jī)設(shè)置

5臺(tái)相機(jī)的設(shè)置參數(shù)相同。考慮到飛行器電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、空中風(fēng)向變化以及飛行速度等原因的影響，將快門速度設(shè)置為1/1 600 s，拍攝模式為快門優(yōu)先，避免由上述情況導(dǎo)致影像的模糊。感光度為自動(dòng)，對(duì)焦模式為手動(dòng)并對(duì)焦于無窮遠(yuǎn)，曝光時(shí)間間隔為2 s。

2.2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃無論是對(duì)于前期的數(shù)據(jù)采集還是后期的數(shù)據(jù)處理都有很大的影響，可以說是三維實(shí)景建模的重中之重[5]。高質(zhì)量的航線規(guī)劃不但可以節(jié)省外業(yè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，而且還可以提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。

航線規(guī)劃的首要工作是劃定測(cè)區(qū)范圍，根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地物的具體情況制定航線[6]。航線規(guī)劃與飛行器參數(shù)和相機(jī)參數(shù)密切相關(guān)，本文將所有涉及到的參數(shù)分為3類: 飛行器參數(shù)、傳感器參數(shù)以及航線參數(shù)，如表1所示。

表1 參數(shù)列表Tab.1 Parameter list

表1中，傳感器參數(shù)為已知參數(shù)； 航線參數(shù)中的Oh，Os，G和A為自定義參數(shù)； 飛行器參數(shù)和航線參數(shù)中的H，V，Ds和D為解算參數(shù)。地面分辨率G的高低直接決定飛行器的飛行高度。二者的關(guān)系可以表示為

(1)

為滿足傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館中村落建模的要求，以瞻淇村為例，設(shè)置G=20 mm，其他參數(shù)分別為：f=10.4 mm，Sw=13.2 mm，Pw=5 742 像素。將以上4項(xiàng)參數(shù)代入式(1)，可得出H約為86 m。

H確定之后還有V和D需要確定。V由Oh與H決定，D由H與Os決定，二者計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

將式(1)代入式(2)中得到

(4)

式中G與Oh為自變量，V為因變量。它們之間的關(guān)系如圖2所示，曲面投影到右側(cè)垂面的分層圖為地面分辨率的等值圖。由于研究區(qū)傳統(tǒng)村落的房屋建筑比較密集，房屋與房屋之間的距離較近且每個(gè)村落的地形條件不同，為了能夠采集更多的建筑立面信息并且保證模型的清晰度，村落數(shù)據(jù)采集將Oh限制在80%～90%之間，G限制在[10，30] mm之間(如圖2曲面右下側(cè)紅框所示范圍)。與之對(duì)應(yīng)的H區(qū)間為[43.1，129.3] m，V區(qū)間為[1.8,10.9] m/s。紅框中的紅點(diǎn)標(biāo)記為瞻淇村數(shù)據(jù)采集時(shí)飛行器設(shè)定的參數(shù)。Oh=Os=85%，H=86 m，V=5.5 m/s，G=20 mm。

圖2 飛行速度關(guān)系Fig.2 Flight speed relationship

由式(4)也可以看出傳感器焦距的大小對(duì)飛行速度沒有影響。將式(1)帶入式(3)中得到

D=PwG(1-Os)，

(5)

式中D為因變量，G和Os為自變量。三者的關(guān)系如圖3所示。

圖3 航帶間距關(guān)系Fig.3 Strip spacing relationship

與航向重疊率相同，這里將Os也限制為80%～90%之間，以保證能夠采集到更多的建筑物立面紋理信息。G的區(qū)間同樣為[10,30] mm，與其對(duì)應(yīng)的D的區(qū)間為[5.5,32.8] m。上述取值范圍如圖3右下側(cè)的紅框范圍所示，可見D與G成正比。

A的設(shè)置與測(cè)區(qū)形狀和風(fēng)向有關(guān)。村落的邊界一般為不規(guī)則多邊形，在確定航線角度的時(shí)候應(yīng)當(dāng)保證整個(gè)村落都應(yīng)該覆蓋到，避免漏測(cè)情況的出現(xiàn)。另外，航線的角度盡量和當(dāng)時(shí)的風(fēng)向相同。圖4為漁梁村的航線規(guī)劃，其中A=97°。Ds與V和Ts有關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中為V和Ts的乘積，即10.6 m。T等于航線長(zhǎng)度與V的比值，為40 min 22 s。

圖4 漁梁村部分航線規(guī)劃Fig.4 Partial route planning of Yuliang Village

2.3 任務(wù)實(shí)施

將航線規(guī)劃的參數(shù)輸入到地面站中，再通過地面站將飛行任務(wù)上傳到飛行器的飛控端。飛行器啟動(dòng)后會(huì)按照之前設(shè)定好的飛行路線進(jìn)行自主飛行，任務(wù)完成后飛行器會(huì)自動(dòng)返航。飛行器的自主飛行階段一般不需要人工干預(yù)即可完成。經(jīng)過對(duì)13個(gè)村子的多次飛行發(fā)現(xiàn)，有多個(gè)因素會(huì)直接影響飛行器的飛行安全。

1)距離因素。飛行器起飛點(diǎn)的選擇應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近設(shè)定航線的起始點(diǎn)，保證在視距范圍內(nèi)(小于500 m)。這是因?yàn)轱w行器由起飛點(diǎn)飛行至設(shè)定航線起始點(diǎn)的飛行速度為飛行器的最大飛行速度，若飛行時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)無謂地消耗較多的電池電量。若遇到氣流變化飛行器還會(huì)上下浮動(dòng)，高度波動(dòng)較大而影響飛行質(zhì)量。因此飛行器每次起飛時(shí)，操作人員都會(huì)密切注視著飛行器，直至其安全地進(jìn)入預(yù)定的航線。

2)天氣因素。本次工作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為6—8月，正值雨季，山區(qū)的天氣變化無常，在下雨之前會(huì)有積雨云迅速匯聚，并伴有大風(fēng)。此時(shí)，氣壓降低，空氣密度減小，飛行高度會(huì)有所降低，因此隨時(shí)都會(huì)注意風(fēng)力的變化情況。由于本次所用飛行器的抗風(fēng)等級(jí)為5級(jí)，當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)就會(huì)中止飛行任務(wù)并降落，待天氣轉(zhuǎn)晴后利用斷點(diǎn)續(xù)飛功能再完成剩余的航線。此外，溫度過高會(huì)導(dǎo)致地面站的卡頓而影響飛行器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此都避免了在溫度超過40 ℃時(shí)開展戶外作業(yè)。

3)飛行監(jiān)視。飛行器在作業(yè)時(shí)，操作人員始終位于高地開闊處，避開地面站與飛行器之間的障礙物，保證了二者之間通訊正常； 并全程監(jiān)視飛行器的飛行參數(shù)，確保飛行安全。

2.4 質(zhì)量控制

質(zhì)量控制主要是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，判斷是否可以保證數(shù)據(jù)處理的完成。主要包括4個(gè)方面：

1)丟片檢查。對(duì)比觸發(fā)曝光數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的照片數(shù)是否相同。

2)定位數(shù)據(jù)檢查。檢查每個(gè)曝光點(diǎn)的定位是否正確，全程衛(wèi)星信號(hào)是否正常。

3)照片清晰度檢查。檢查照片是否有模糊情況出現(xiàn)。

4)照片重疊度檢查。實(shí)際飛行中減產(chǎn)照片的航向與旁向重疊率是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是制作ContextCapture軟件可以識(shí)別的Block文件。Block文件中包含照片的位置信息、存儲(chǔ)路徑以及5臺(tái)相機(jī)的詳細(xì)參數(shù)等。首先，批量錄入每張照片的組號(hào)、文件名、存儲(chǔ)路徑等信息； 然后，導(dǎo)入傾斜攝影系統(tǒng)內(nèi)部的GPS文件，該文件包含每張照片的經(jīng)緯度和相對(duì)高程信息； 最后，錄入5臺(tái)相機(jī)的CMOS尺寸、焦距、照片像素值以及檢校信息，正常保存后用于下一步的空三解算。

3.2 空三解算

空三解算通過提取每張照片的特征點(diǎn)，進(jìn)行特征點(diǎn)匹配形成照片之間的連接點(diǎn)，最終通過聯(lián)合約束平差獲取每張照片拍攝時(shí)的姿態(tài)角，獲得點(diǎn)云。表2為龍川村的空三解算結(jié)果報(bào)告。

表2 龍川村空三解算結(jié)果報(bào)告Tab.2 Aerotriangulation result report of Longchuan Village

龍川村共采集影像13 450張，其中有效影像為13 316張。從表2可以看出，空三計(jì)算之后，獲得到的連接點(diǎn)數(shù)為220 409個(gè)，反投影中誤差為0.61像素，反投影標(biāo)準(zhǔn)差為0.79像素，地面點(diǎn)到攝站點(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)差為0.021 m，結(jié)果良好。

為了尋求外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間與內(nèi)業(yè)空三解算時(shí)間的關(guān)系，以便判斷出空三解算時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值，從而幫助參與者預(yù)估空三解算的完成時(shí)間，需要計(jì)算數(shù)據(jù)采集時(shí)間占空三解算時(shí)間的比例，其中數(shù)據(jù)采集時(shí)間指的是傾斜相機(jī)開始拍攝到結(jié)束拍攝的時(shí)間差。由一類機(jī)處理的11個(gè)村子的數(shù)據(jù)采集時(shí)間占空三解算時(shí)間的比例如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集時(shí)間占空三解算時(shí)間的比例Fig.5 Time proportion of data acquisition and aerotriangulation processing

其中，瀹坑村和汪村為鄰近的2個(gè)村子，所以在數(shù)據(jù)采集和空三解算時(shí)將其合并在一起； 而龍川村和松木嶺村數(shù)據(jù)是由二類機(jī)處理完成的，因此暫不作考慮。由圖5可以看出大部分村子的時(shí)間占比都在5.19%～8.56%之間，只有萬安老街和漁梁村在5%以下。前者是由于當(dāng)時(shí)采集的時(shí)候正值雨季，山區(qū)的氣候變化較快，所以在數(shù)據(jù)采集的時(shí)候光線變化較大，這就需要做多次空三運(yùn)算[7]才能獲得到整體村落的空三結(jié)果； 后者是因村落中存在面積占整個(gè)村落采集范圍一半以上的河流，不利于空三解算，所以其空三解算時(shí)間較長(zhǎng)。由此可以判斷出，若一個(gè)村落需要用傾斜攝影相機(jī)采集60 min數(shù)據(jù)，那么需要用12～20 h來完成空三解算，平均需要18 h。該結(jié)果僅適用于一類機(jī)的配置。

3.3 重建模型

重建模型是對(duì)空三解算獲取到的點(diǎn)云進(jìn)行加密構(gòu)建三角網(wǎng)，并將紋理準(zhǔn)確映射在其上的過程。包括坐標(biāo)設(shè)定、重建范圍、瓦片分割、三維重建和成果輸出幾個(gè)步驟。

圖6(a)—(c)為龍川村在ContextCapture中重建模型的流程，分別是空三解算、重建模型以及模型成果。模型重建時(shí)，空間參考坐標(biāo)系選擇為站心坐標(biāo)系； 重建范圍為之前在Google Earth上設(shè)定好的.kml文件，將其導(dǎo)入至該菜單下即可使用； 瓦片的分割方式為均分，每個(gè)瓦片大小為100 m，共計(jì)71個(gè)瓦片。

(a) 空三解算(b) 重建模型(c) 模型成果

圖6重建模型流程(龍川村)

Fig.6Workflowofreconstructionmodel(LongchuanVillage)

圖7是所有村子模型的數(shù)據(jù)量和模型面積之間的關(guān)系。

圖7 模型面積與數(shù)據(jù)量關(guān)系Fig.7 Relationship between model area and data size

可以看出模型面積與模型數(shù)據(jù)量之間有一定的相關(guān)性?？傮w來看，模型面積越大，模型的數(shù)據(jù)量就會(huì)越大。但由于每個(gè)村落的地理環(huán)境和格局不同，數(shù)據(jù)量與模型面積并非為嚴(yán)格的正相關(guān)關(guān)系。例如，萬安老街在所有村落模型中面積最大，但村中有較大面積的水域，通過空三計(jì)算水面上的連接點(diǎn)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于房屋的連接點(diǎn)，因而構(gòu)成三角網(wǎng)的數(shù)量并不高，因此其模型數(shù)據(jù)量并非最高。另外，如果該村落模型中包含廣闊的田地或空曠的廣場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)量的下降。與上述情況相反的是，如果該村落的樹木或竹林較多，那么數(shù)據(jù)量就會(huì)升高。這是因?yàn)橹脖坏倪B接點(diǎn)相對(duì)密集，構(gòu)成大量細(xì)碎的三角網(wǎng)，需要更多的空間來存儲(chǔ)。例如瀹坑村和汪村，這2個(gè)村子是被兩側(cè)的山脊所包圍，呈條帶狀，所以村落面積不大。但是村落兩側(cè)被山上的植被所覆蓋，所以數(shù)據(jù)量較大。圖8(a)為瀹坑村的局部模型，左側(cè)為房屋建筑，右側(cè)為被植被覆蓋的山體。圖8(b)為相應(yīng)的網(wǎng)格化的模型。通過對(duì)比可見，植被的三角網(wǎng)密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于房屋建筑的三角網(wǎng)密度。

(a) 原始模型(b) 模型不規(guī)則三角網(wǎng)

圖8瀹坑村原始模型與其不規(guī)則三角網(wǎng)的對(duì)比

Fig.8ContrastbetweentheoriginalmodelofYuekengVillageanditsTIN

4 數(shù)據(jù)發(fā)布與共享

將生產(chǎn)出來的實(shí)景模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后上傳到了三維實(shí)景模型云平臺(tái)，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布。模型數(shù)據(jù)包含2個(gè)部分： .osgb格式的模型數(shù)據(jù)文件和地理坐標(biāo)信息(metadata)數(shù)據(jù)。將模型上傳到云平臺(tái)后，可以通過掃描二維碼或鏈接的方式實(shí)現(xiàn)與公眾的共享，還可以通過調(diào)用模型窗口代碼將模型窗口嵌入到中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁(yè)之中，以三維的視角讓公眾更直觀地了解傳統(tǒng)村落的建筑風(fēng)貌以及村落形態(tài)[8]。

圖9為中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館唐模村中三維實(shí)景模型的窗口。村落模型中加入了多個(gè)熱點(diǎn)標(biāo)注，標(biāo)注有文字、圖片、視頻、全景影像等多種形式。瀏覽者除了能利用常規(guī)方式來了解該村落之外，還可以通過三維實(shí)景模型來全方位地了解該村落的歷史建筑以及村落格局。此外，與現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)相結(jié)合，將生成的.fbx格式的模型進(jìn)行優(yōu)化后做成電子實(shí)景沙盤，通過頭戴設(shè)備能讓觀察者沉浸其中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)沙盤不真實(shí)、攜帶不便、不可更新等缺點(diǎn)。另外規(guī)劃設(shè)計(jì)人員還可以通過模型完成村落某些建筑或地塊的實(shí)際尺寸量測(cè)，讓設(shè)計(jì)人員能夠更直觀地把握空間尺度，完成與該尺度匹配的環(huán)境改造方案，起到輔助設(shè)計(jì)的作用。

圖9唐模村數(shù)字博物館三維實(shí)景模型窗口

Fig.9Real3DmodelofTangmoVillagedigitalmuseum

5 結(jié)論

本文利用五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，配合DJI GS PRO地面站完成了安徽省13個(gè)傳統(tǒng)村落的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合ContextCapture Center處理終端，生成了.osgb格式的三維實(shí)景模型，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布，并最終嵌入到中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁(yè)中。

1)通過對(duì)11個(gè)村落的數(shù)據(jù)采集時(shí)間和空三解算時(shí)間分析，得出空三解算時(shí)間平均為數(shù)據(jù)采集時(shí)間的18倍。由此，可以大致判斷出采集單個(gè)村落的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，進(jìn)而能夠幫助決策者判斷完成該項(xiàng)目的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

2)三維實(shí)景模型的數(shù)據(jù)量與該村落的面積呈正相關(guān)性，大面積的水域、廣闊的田地以及密集的植被群都會(huì)對(duì)此相關(guān)性造成影響。在村落模型生產(chǎn)前能幫助生產(chǎn)者預(yù)先判斷采用適當(dāng)體量的瓦片來處理模型，解決了模型后期發(fā)布加載緩慢的問題。

3)該方法適用于村落范圍的模型構(gòu)建，能夠自動(dòng)生產(chǎn)出空間分辨率高、拓?fù)潢P(guān)系良好、細(xì)節(jié)表現(xiàn)豐富的實(shí)景模型，對(duì)于中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的建設(shè)以及傳統(tǒng)村落的小環(huán)境改造都能起到積極作用。

但是，三維實(shí)景建模對(duì)數(shù)據(jù)的采集要求較為嚴(yán)格，主要表現(xiàn)在以下2點(diǎn)：

1)陰雨天、大風(fēng)天都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生較大的影響。陰天會(huì)使得照片過暗，空三運(yùn)算可能會(huì)失?。?此外，雨天和大風(fēng)天會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的安全。

2)在雨季，山區(qū)的天氣變化較為劇烈，光線忽明忽暗。這有可能導(dǎo)致照片之間匹配的成功率降低，需要后期采用人工刺連接點(diǎn)的方式來解決。

隨著激光掃描儀成本的下降，配有激光掃描儀與相機(jī)雙傳感器的三維數(shù)據(jù)獲取設(shè)備可以解決光照變化導(dǎo)致影像匹配的問題； 并且在獲取到影像的同時(shí)還可以提高建模的精度。這將是本文以后將要延續(xù)開展的工作。