無人機傾斜攝影在村落數(shù)字化保護中的探索

付 曉,李艷濤,王遠航,鄭 巖

（北京聯(lián)合大學應(yīng)用文理學院城市科學系，北京 100191）

0 引言

作為傳統(tǒng)文化的重要物質(zhì)載體, 村落往往具有相當深厚的文化底蘊，許多建筑都反映了當?shù)氐拿耧L民俗、社會情況、經(jīng)濟水平以及人地關(guān)系等信息，具有很高的藝術(shù)和旅游開發(fā)價值。2017年十九大提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，作為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳統(tǒng)村落受到了各界的普遍關(guān)注，但許多傳統(tǒng)村落在進行旅游開發(fā)過程中都面臨著建筑破壞的問題。近年來，消費級無人機迅速走進大眾視野，因成本低廉、操作簡單、行動便捷而受到人們青睞。同期，傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得無人機遙感為文物保護、城鄉(xiāng)管理等領(lǐng)域提供了新的研究方法和思路，無人機遙感在城鄉(xiāng)管理和城市建模中發(fā)揮了重要作用并得到廣泛應(yīng)用。薄正權(quán)等、劉梅姜、胡文慶等、向云飛等對傾斜攝影在城鄉(xiāng)三維模型的構(gòu)建及如何在城鄉(xiāng)管理方面利用三維模型進行探討；李能國、李博等、曾健等分別研究了傾斜攝影在管線管理、應(yīng)急救災、地形信息等方面的應(yīng)用；許翰彬研究了傾斜攝影測量在高中低空測量的適用裝置；申艷探討了大飛機相控點布設(shè)問題；賈玉林利用無人機傾斜攝影進行1：500不動產(chǎn)測繪且精度保持在±15 cm；這些研究說明無人機可以替代人力進行建筑測繪，生成建筑的數(shù)字化信息，無人機遙感展現(xiàn)了其在村落保護和監(jiān)測領(lǐng)域的巨大潛力。

本文基于無人機傾斜攝影技術(shù)建立村落的三維模型，擬探討利用消費者級無人機進行傳統(tǒng)村落地形提取和三維建模的步驟與方法，為傳統(tǒng)村落的保護提供新的技術(shù)支撐，為日后村落建筑的修繕工作提供參考．

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于北京市懷柔區(qū)九渡河鎮(zhèn)西水峪村，地理坐標為40°24'N，116°19’E，村落面積約0.7 km2。村落三面環(huán)山，處于地勢低洼地帶，地勢起伏較大；村落西北側(cè)是黃花城風景區(qū)，東側(cè)大部分地區(qū)為荒地，地形復雜，高差變化較大。根據(jù)史料記載，該村落是修建明長城時形成的一個自然村落，緊鄰山、水、古長城，具有較高的研究價值。

2 研究方法

2.1無人機的選擇

由于研究區(qū)域規(guī)模較小，測量范圍屬于小區(qū)域(<1km2)，因此綜合考慮研究區(qū)規(guī)模、地形等因素，選用敏捷、機動性良好的多旋翼無人機（大疆精靈3pro）。

2.2航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)獲取

圖1 研究區(qū)域與航線規(guī)劃

2.3數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)采集，獲得研究區(qū)域影像368張。由于云臺相機在拍攝時照片已經(jīng)嵌入pos數(shù)據(jù)，因此不再需要對數(shù)據(jù)進行預處理，獲取傾斜影像后可直接對數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)處理。為避免空三解算失敗的問題，處理過程結(jié)合使用了Photoscan和ContextCapture兩款軟件。利用Photoscan良好的空三解算能力提交空三解算，而后將空三結(jié)果導入ContextCapture進行處理。由于內(nèi)存的限制，使用自適應(yīng)切塊的方式，將目標區(qū)域劃分成39個區(qū)塊瓦片，經(jīng)過空三加密、生成網(wǎng)格和紋理映射等過程，生產(chǎn)出數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM）以及三維模型等結(jié)果。

2.3.1空三加密

photoscan使用稀疏光束法進行區(qū)域平差空中三角測量，其基本原理是共線方程?？杖嬎阃瓿珊蠊灿嬏崛?32 842個自動連接點，地面分辨率0.046～0.11 m，符合標準。

圖2 三維點云

2.3.2密集匹配生成DSM

使用多視影像密集匹配技術(shù)，生成三維密集點云，其原理是利用影像間的相對位置關(guān)系，尋找重疊區(qū)域內(nèi)每個像素同名點的稠密影像進行匹配，是從二維影像到三維模型的重要方法。基于三維密集點云可以生成數(shù)字表面模型(DSM)，將高分辨率的點云映射到DSM上可以形成數(shù)字正射影像(DOM)。

2.3.3生成網(wǎng)格和紋理映射

基于密集點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型，不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型是指根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個點集將區(qū)域劃分為相等的三角面網(wǎng)絡(luò)；因為其有高程屬性，因此可以用來表征地形特征。通過對數(shù)字影像的處理，將貼圖映射到網(wǎng)格模型上，三維模型就是在網(wǎng)格模型上貼圖實現(xiàn)的。

2.3.4數(shù)據(jù)生產(chǎn)

經(jīng)過內(nèi)外業(yè)處理，最終生成正射影像、數(shù)字地表模型及三維實景模型。

通過三維密集點云生成正射影像和數(shù)字表面模型DSM。以DSM為基礎(chǔ)，可制作目標地區(qū)大比例尺地形圖。生成的DSM高程范圍為240～402 m，地形顯示層次分明。

圖3 正射影像（左）和DSM（右）

生成地區(qū)三維模型，可以通過EPS等測圖軟件進行三維繪圖，將建筑的部分信息以數(shù)字化的形式保存下來，為日后可能的修復修繕工作提供參考。

圖4 三維實景模型產(chǎn)品

3 結(jié)論

利用無人機傾斜攝影，經(jīng)過內(nèi)外業(yè)處理，可以得到研究區(qū)范圍內(nèi)8.6 cm分辨率的正射影像和DSM，滿足大比例尺地形圖測繪要求。無人機傾斜攝影作業(yè)成本低，出圖成效快，成圖精度高，并能克服山區(qū)地形對傳統(tǒng)地面測繪帶來的不利影響，為村落數(shù)字化保護提供了新理念和新思路。三維實景模型具有真實的三維坐標，可360度縮放查看，能拆分為單體建筑進行分析，而且可以嵌入地理信息系統(tǒng)，結(jié)合地理環(huán)境進行坡度、坡向、通視性、可達性等綜合分析，為鄉(xiāng)村規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與規(guī)劃決策支持。