譚金石 林浩楠 于海燕

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510；2.廣州遙感信息科技有限公司，廣東 廣州 510510）

我國是世界上歷史悠久的文明古國，積淀了豐富的文化遺產(chǎn)[1]。村落建筑遺產(chǎn)作為鄉(xiāng)村文化遺產(chǎn)的重要組成部分，在鄉(xiāng)村文化傳承和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。受城鎮(zhèn)化的進(jìn)程推進(jìn)、環(huán)境變化、人類行為等因素影響，部分村落建筑遺產(chǎn)受到不同程度的破壞[2]。因此，亟須開展村落建筑遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)工作。

傳統(tǒng)建筑遺產(chǎn)的保護(hù)是通過數(shù)據(jù)記錄形式，如文字、手畫圖紙、拍攝照片、音視頻等，此類方式效率低、人工成本高、形式單調(diào)，存在一定的主觀性，不利于后續(xù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用和分析研究[3]。隨著信息化和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，文化遺產(chǎn)保護(hù)多采用不直接接觸目標(biāo)物體的遙感技術(shù)，如衛(wèi)星遙感[4]、攝影測量[5]、三維激光掃描[6]等。衛(wèi)星遙感主要針對大范圍內(nèi)不可移動的建筑文物進(jìn)行變化監(jiān)測[7]；三維激光掃描具有非接觸式、高效率、高精度等優(yōu)勢，直接獲取目標(biāo)物表面密集三維點云，在文物遺產(chǎn)的監(jiān)測、保護(hù)及修繕方面得到廣泛的應(yīng)用。地面測繪設(shè)備無法獲取建筑遺產(chǎn)頂部數(shù)據(jù)，且成本較高，主要用于城區(qū)重點文物保護(hù)，難以在鄉(xiāng)村眾多建筑遺產(chǎn)保護(hù)中推廣。無人機傾斜攝影技術(shù)可以快速地拍攝目標(biāo)物的多視角影像，構(gòu)建逼真的三維實景模型，在全國性“房地一體化”項目、智慧城市等大型項目中得到廣泛應(yīng)用。但是常規(guī)的拍攝方式由于空中拍攝視角，目標(biāo)物底部存在遮擋，構(gòu)建的三維實景模型底部及遮擋區(qū)域容易出現(xiàn)模型扭曲、變形、空洞等問題[8]。

結(jié)合村落建筑遺產(chǎn)分布范圍廣、零散等情況，文章利用消費級無人機展開村落建筑遺產(chǎn)數(shù)字化方法研究，采用無人機“貼近+環(huán)繞”傾斜攝影方式，結(jié)合影像匹配、計算機視覺等技術(shù)對拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建精細(xì)、完整的實景三維模型，為文物保護(hù)部門提供數(shù)據(jù)支撐。

1 基本原理與方法

1.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是在攝影測量基礎(chǔ)上發(fā)展的產(chǎn)物，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后續(xù)延伸至其他行業(yè)中。無人機傾斜攝影測量技術(shù)又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，通過對無人機飛行平臺搭載多（單）鏡頭相機，在飛行過程中從俯視、側(cè)視等多個角度拍攝影像[9]，通過空中三角測量、密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等過程，對攝影場景進(jìn)行三維重構(gòu)，構(gòu)建精確的地物信息。

1.2 無人機“貼近+環(huán)繞”攝影

外業(yè)傾斜攝影是實景三維建模的關(guān)鍵，與成功建模以及建模效果密切相關(guān)。根據(jù)傾斜攝影平臺搭載的相機鏡頭個數(shù)不同，航線規(guī)劃也有所不同，如五拼傾斜攝影系統(tǒng)，采用常規(guī)“S”形航線飛行；單鏡頭相機，需要按“＃”字形航線飛行，從正下方、左、右、前、后多個方向飛行五次；三鏡頭相機，需要按“十”字飛行。根據(jù)傾斜攝影相機的類型，需要拍攝目標(biāo)對象的頂部和四周的多視影像。五拼傾斜攝影相機造價較高，需要較大型無人機才能搭載，性價比較低[9-10]。采用消費機無人機為遙感平臺，價格低、輕量化，可以有效進(jìn)行建筑遺產(chǎn)的外業(yè)影像拍攝。

結(jié)合鄉(xiāng)村建筑遺產(chǎn)的特點，如零散分布、獨棟建筑、樓層以1～3層為主。利用消費級、輕小型無人機搭載單鏡頭相機，結(jié)合新型的“貼近+環(huán)繞”的傾斜攝影方式，能夠快速獲取建筑遺產(chǎn)的多視傾斜影像數(shù)據(jù)，建筑遺產(chǎn)“貼近+環(huán)繞”拍攝如圖1所示。

圖1 建筑遺產(chǎn)“貼近+環(huán)繞”拍攝

拍攝的具體思路為：

（1）建筑遺產(chǎn)上方按“S”形航線設(shè)計，相機鏡頭垂直朝下拍攝，獲取建筑及周邊的頂層影像，如圖1（a）所示。

（2）建筑側(cè)面部分以建筑外輪廓為邊界，以側(cè)面作為拍攝對象，將無人機圍繞建筑，保持一定距離進(jìn)行貼近和環(huán)繞拍攝，如圖1（b）所示。

（3）建筑側(cè)面分層拍攝根據(jù)建筑物的高度和垂直航線間距，按一定的間隔進(jìn)行分層環(huán)繞拍攝，如圖1（c）所示。

在拍攝的過程中，設(shè)置航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為30%～60%。根據(jù)建筑遺產(chǎn)的具體結(jié)構(gòu)，對重疊度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1.3 數(shù)字化三維重建

數(shù)字化實景三維重建主要依賴實景三維建模軟件，包括國外軟件如Pictometry、Context Capture、法國Street Factory、Photo Mesh等[11]，國內(nèi)軟件如Atizure、Smart 3D、DP-Smart、重建大師等。三維重建過程主要包括傾斜影像整理與預(yù)處理、空中三角測量、密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動紋理映射、模型修飾、高質(zhì)量三維模型構(gòu)建等。

文章采用Bently Context Capture軟件進(jìn)行數(shù)字化三維重建，此軟件是一款專業(yè)的三維實景建模軟件，建模過程人工干預(yù)少，能夠有效將拍攝的多角度傾斜影像數(shù)據(jù)生成還原度較高的實景三維模型，具有快速、全自動等特點。模型成果采用層次細(xì)節(jié)模型（LOD），生成的地物模型對計算機配置要求較低，能夠充分表達(dá)地形地物細(xì)部特征，同時可以輸出三維點云、正射影像圖、數(shù)字表面模型等成果。

2 試驗方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣東省始興縣，始興位于湞江河畔，是古代的交通要道。始興圍樓是始興的一道古樸風(fēng)景，圍樓保存完整。始興圍樓，形式多樣，結(jié)構(gòu)各異。按種類分為土圍、磚圍、泥磚圍、石圍；按構(gòu)筑形式分為“城堡式”“碉樓式”；按平面布局分為正方形、長方形、橢圓形。始興圍樓頂部呈尖峰狀、鍋耳狀，均蓋青瓦。選取1 處典型圍樓（“永成保障圍”），利用大疆精靈4Pro進(jìn)行建筑傾斜攝影及數(shù)字化三維重建。

2.2 試驗過程與分析

在建筑遺產(chǎn)影像采集階段，采用大疆精靈4Pro無人機，搭載相機為FC3610，焦距為8.8 mm，像元大小2.401 2 μm，最大續(xù)航為30 min，有效像素2 000萬，像幅為4 864×3 648像素。相機通過云臺可調(diào)整為-90°～30°。影像拍攝采用垂直朝下拍攝和側(cè)面貼近環(huán)繞拍攝，上方拍攝高度約60 m，地面分辨率約2 cm，共拍攝272張照片。利用Context Capture軟件進(jìn)行空中三角測量及建模?？罩腥菧y量恢復(fù)照片位置和姿態(tài)如圖2所示。

圖2 空中三角測量恢復(fù)照片位置和姿態(tài)

利用空三成果，進(jìn)行影像密集匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等過程，構(gòu)建數(shù)字化三維模型。建筑遺產(chǎn)數(shù)字化三維模型效果如圖3所示。

圖3 建筑遺產(chǎn)數(shù)字化三維模型效果

根據(jù)數(shù)字化三維模型可知，建筑遺產(chǎn)頂部、側(cè)面和底部細(xì)節(jié)完成精度較高，模型可以用于建筑遺產(chǎn)的數(shù)字化保存、維護(hù)、修繕、旅游宣傳、虛擬仿真展示等應(yīng)用。

3 結(jié)語

文章針對村落建筑遺產(chǎn)數(shù)字化方法展開研究，采用消費級無人機（以大疆精靈4Pro）作為遙感平臺對建筑遺產(chǎn)進(jìn)行“貼近+環(huán)繞”傾斜攝影，獲取建筑頂部和側(cè)面的傾斜影像，再進(jìn)行傾斜攝影測量三維重構(gòu)，構(gòu)建精度較高的建筑遺產(chǎn)實景三維模型。文中所述方案具有設(shè)備低價格、輕量化、易實施的特點，方便在鄉(xiāng)村推廣，能夠為鄉(xiāng)村文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)、保存、修繕提供數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)鄉(xiāng)村振興。后續(xù)可以研究全自動化拍攝，結(jié)合全自動化“云計算+云建模”的模式，使更多的鄉(xiāng)村遺產(chǎn)得到數(shù)字化保護(hù)。