付 曉,李艷濤,王遠航,鄭 巖
(北京聯(lián)合大學應用文理學院城市科學系,北京 100191)
作為傳統(tǒng)文化的重要物質載體, 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、經濟水平以及人地關系等信息,具有很高的藝術和旅游開發(fā)價值。2017年十九大提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,作為非物質文化遺產的傳統(tǒng)村落受到了各界的普遍關注,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,傾斜攝影技術的發(fā)展和應用使得無人機遙感為文物保護、城鄉(xiāng)管理等領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用。薄正權等、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、應急救災、地形信息等方面的應用;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問題;賈玉林利用無人機傾斜攝影進行1:500不動產測繪且精度保持在±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)測領域的巨大潛力。
本文基于無人機傾斜攝影技術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支撐,為日后村落建筑的修繕工作提供參考.
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;村落西北側是黃花城風景區(qū),東側大部分地區(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。
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)。
圖1 研究區(qū)域與航線規(guī)劃
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)進行內業(yè)處理。為避免空三解算失敗的問題,處理過程結合使用了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,而后將空三結果導入ContextCapture進行處理。由于內存的限制,使用自適應切塊的方式,將目標區(qū)域劃分成39個區(qū)塊瓦片,經過空三加密、生成網格和紋理映射等過程,生產出數(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,生成三維密集點云,其原理是利用影像間的相對位置關系,尋找重疊區(qū)域內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生成網格和紋理映射
基于密集點云構建不規(guī)則三角網(TIN)模型,不規(guī)則三角網(TIN)模型是指根據(jù)區(qū)域內有限個點集將區(qū)域劃分為相等的三角面網絡;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,將貼圖映射到網格模型上,三維模型就是在網格模型上貼圖實現(xiàn)的。
2.3.4數(shù)據(jù)生產
經過內外業(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,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 三維實景模型產品
利用無人機傾斜攝影,經過內外業(yè)處理,可以得到研究區(qū)范圍內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)劃提供基礎數(shù)據(jù)與規(guī)劃決策支持。