梁翌昕，潘宏宇

（云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，云南昆明，650504）

0 引言

無人機傾斜攝影測量技術(shù)利用在無人飛行平臺上搭載多臺傳感器，從多個角度采集地面物體的影像數(shù)據(jù)，并借助全自動高性能影像處理軟件，能夠快速構(gòu)建出三維實景模型[3]。其發(fā)展和應(yīng)用為歷史文物與建筑、傳統(tǒng)村落保護(hù)等領(lǐng)域提供了新的研究方法和思路。葉思遠(yuǎn)使用旋翼無人機搭載南方測繪傾斜航空攝影相機采集研究區(qū)影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維實景建模；譚燕萍基于低空無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)實現(xiàn)了快速獲取美麗小鎮(zhèn)實景三維影像的工作[4]等。目前，采用無人機傾斜攝影技術(shù)的實景三維構(gòu)建主要針對城市或居民區(qū)域，而對于傳統(tǒng)村落、少數(shù)民族村寨的三維場景研究較少。

本文基于無人機傾斜攝影技術(shù)建立少數(shù)民族村寨的三維模型，擬利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對少數(shù)民族村寨進(jìn)行三維建模，對具體的內(nèi)容和方法進(jìn)行介紹，并以云南省金平縣標(biāo)水巖村為研究區(qū)建立實景三維模型，為政府管理部門、當(dāng)?shù)鼐用窈陀慰吞峁┐髷?shù)據(jù)支持，以便客觀反映少數(shù)民族村寨的保存現(xiàn)狀。

1 無人機傾斜攝影測量實景三維建模

1.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)簡介及原理

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近年來國際上新興發(fā)展的一項高新技術(shù)，該技術(shù)融合了數(shù)字地面采集技術(shù)與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)的優(yōu)勢，它通過在飛行的平臺上搭載五棱鏡頭相機和定位系統(tǒng)，實現(xiàn)同時從4個傾斜角度和1個垂直方向來獲取地物影像，其中垂直地面的影像被用于制作傳統(tǒng)的4D產(chǎn)品，另外四組傾斜影像數(shù)據(jù)用于獲取地物側(cè)面的紋理信息[5]。無人機上搭載高分辨率多視角攝影儀作為遙感平臺，即構(gòu)成了無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)。它可以高效、快速地獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)，結(jié)合傾斜攝影測量技術(shù)，快速生成實景三維模型。

1.2 利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)三維建模的優(yōu)勢

無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①多角度拍攝。攝影測量過程中可實現(xiàn)了多方位和多角度的動態(tài)實時拍攝，并可獲得航飛實驗區(qū)多個方位的影像資料，滿足基本三維建模的需求。②影像數(shù)據(jù)的高分辨率。大多數(shù)無人機都在低空進(jìn)行航飛，離地面的距離比較近，因此可以獲得高分辨率的地物影像。同時能進(jìn)一步對地物的坡向、坡度、角度等進(jìn)行綜合性測量，所以無人機的應(yīng)用范圍非常廣闊。③降低建模成本。傳統(tǒng)的建模方法費時又費力，效率低且整體成本較高。而無人機結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)與航空攝影相互結(jié)合，通過批量提取紋理來建立實景三維模型，大幅度降低了建模的成本。

1.3 無人機傾斜攝影測量實景三維建模的內(nèi)容

基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模主要包括量測數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、空三加密以及三維建模三個部分。本文使用Context Capture軟件構(gòu)建實景三維模型的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于Context Capture軟件的三維建模技術(shù)路線圖

1.3.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

使用無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)按預(yù)定的航線和方式進(jìn)行拍攝，在無人機上搭載多鏡頭相機，獲取前、后、左、右與垂直5個方向的影像數(shù)據(jù)，從而獲得地物正射方向和不同側(cè)面的紋理照片。拍攝時選擇晴朗無風(fēng)的天氣進(jìn)行航飛，以確保影像清晰且層次豐富、色調(diào)一致、反差適中，保證得到一個較好的三維模型。在影像采集完成后，需要對每張像片進(jìn)行檢查，檢查是否存在漏拍或不滿足精度要求的區(qū)域，對該區(qū)進(jìn)行補拍或重拍。

1.3.2 空三加密

將預(yù)處理得到的影像數(shù)據(jù)以及機載POS系統(tǒng)獲得的傾斜影像的初始外方位元素導(dǎo)入程序，利用正視、斜視影像構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，多視角影像自動匹配；經(jīng)過反復(fù)濾波、平差，求解得到符合精度要求的外方位元素；最后進(jìn)行控制點和加密點量測，通過平差計算獲得加密成果。

1.3.3 三維建模

空三加密完成后就可以進(jìn)行TIN三角網(wǎng)的構(gòu)建，對TIN進(jìn)行波簡化等處理可生成白膜，再通過紋理映射獲得實景三維模型。Context Capture可以直接完成單個物體的三維重建，而對于數(shù)據(jù)量較大的工程來說，通常要采取分塊的方法，在參數(shù)設(shè)置時可將模型分割成大小相同的許多塊，然后分別生成各個塊。這不僅彌補了計算機性能的缺陷，也便于計算機分布式運算的任務(wù)分配，同時又提高了模型的精度和重建速度[6]。若要提高模型數(shù)據(jù)的整合與更新能力，還可以對效果不理想或存在空洞的瓦片可以進(jìn)行再生成或編輯。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

標(biāo)水巖位于云南省金平苗族瑤族傣族自治縣馬鞍底鄉(xiāng)中寨村，地處分水嶺國家自然保護(hù)區(qū)的邊緣，是一個典型的哈尼族聚居村寨，擁有傳統(tǒng)的民俗文化和民族風(fēng)情。標(biāo)水巖村是“中國·紅河蝴蝶谷”規(guī)劃建設(shè)的核心區(qū)，哈尼族人家世代居于此村寨，他們農(nóng)作的田野就屬于世界文化遺產(chǎn)——“哈尼梯田”。2013年，金平縣政府響應(yīng)“美麗家園”建設(shè)計劃，將標(biāo)水巖村打造成具有“吃、住、行、游、購、娛”六要素綜合功能的哈尼民俗文化村。2017年4月，標(biāo)水巖村榮獲第二批“中國少數(shù)民族特色村寨”稱號。其總面積有1.69 km2，總?cè)丝跒?088戶，具有特色民居蘑菇房建設(shè)70戶。近幾年，政府加大對中華蝴蝶谷的開發(fā)力度，因為標(biāo)水巖村屬于中華蝴蝶谷，所以經(jīng)歷了傳統(tǒng)建筑被破壞、村民生活被干擾等問題，探索如何保護(hù)與發(fā)展標(biāo)水巖少數(shù)民族村寨迫在眉睫。

2.2 試驗設(shè)備選型

試驗區(qū)均為高山地形，高差約1230m。本次調(diào)查使用相機型號為FC330的DJI無人機，航拍航測區(qū)域面積范圍約為0.156km2。調(diào)查時間為2017年12月20日14：00左右，當(dāng)天天氣晴朗，風(fēng)速1～2級，PM2.5優(yōu)。飛行預(yù)設(shè)的相對高度為200m，共布置了20條航線（橫向10條、縱向10條），航向重疊度通常為60%-80%，旁向重疊度通常為15%-60%，飛行速度為5m/s。通過對試驗設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保證無人機在規(guī)定航線上飛行，最終共獲取了784張斜片和365張正射像片。

2.3 實景三維建模的成果

本文采用Smart3D的CC（Context Capture）軟件自動化地構(gòu)建三維模型。通過結(jié)合飛行過程中獲取的POS數(shù)據(jù)來求解精準(zhǔn)的外方位元素，再根據(jù)特征匹配算法獲取高精度同名點匹配結(jié)果。然后采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差來完成多角度影像聯(lián)合平差過程即空中三角測量，實現(xiàn)高密度點云的初步構(gòu)建。再構(gòu)建的TIN三角網(wǎng)模型和白膜，最后利用影像的紋理信息映射到白膜的各角度[7]，創(chuàng)建高精度的標(biāo)水巖村實景三維模型（如圖2所示）。但要注意的是，由此生成的三維模型可能會因在數(shù)據(jù)獲取過程中受飛行平臺的影響或者后期影像處理的原因，出現(xiàn)紋理變形、懸浮、凸包等問題，仍需進(jìn)行模型修飾以得到更加精確的實景三維模型。

圖2 標(biāo)水巖少數(shù)民族村寨三維實景模型

2.4 三維建模結(jié)果分析及精度評價

根據(jù)三維模型可以清晰地看出，標(biāo)水巖村位于一個朝陽、開闊且平緩的山坡，并具有“森林—村寨—梯田—水系”四素同構(gòu)的生態(tài)景觀格局，以及其獨特的聚落格局——寨頭為茂密的寨神林，寨尾是開闊的磨秋場，村民則居住于寨心。在村寨的整個空間格局里，特色居民蘑菇房蘊含著豐富的文化特征和民族記憶，作為物質(zhì)載體，它更是過去與現(xiàn)在地域歷史發(fā)展、生產(chǎn)生活、民族文化的寫照。隨著時代的進(jìn)步以及旅游業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)民居的功能性衰退，一些村寨為適應(yīng)時代的變遷，公共文化空間逐步衰退，其聚落格局也發(fā)生變化，甚至遭到破壞。面對這些問題，為了實現(xiàn)現(xiàn)存村寨空間整體格局的保護(hù)與發(fā)展，首當(dāng)其沖的是考慮提高當(dāng)?shù)鼐用駥Υ逭臻g的認(rèn)知水平以及文化認(rèn)同感。

通過構(gòu)建的標(biāo)水巖村三維模型可以看出：①少數(shù)民族村寨的三維場景模型完整，各地物要素實現(xiàn)了完好復(fù)現(xiàn)，幾何特征精細(xì)、逼真。②將三維模型放大后，各地物空間拓?fù)潢P(guān)系基本正確，模型場景中地物紋理與現(xiàn)實地物也基本相似，房屋和道路仍然紋理清晰、真實，模型不存在變形的問題，如圖3所示。③場景建筑的各種細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)如房頂、窗戶基本可以展現(xiàn)出來。根據(jù)控制點誤差報告可知，三維模型的最大誤差值為0.0082 m，中誤差為0.006，全球RMS為0.0055；水平誤差和垂直誤差都精確到0.01m，該精度足夠滿足少數(shù)民族村寨三維場景保護(hù)和管理的精度要求。

圖3 實景三維模型局部放大圖

3 結(jié)語

通過無人機傾斜攝影技術(shù)得到的少數(shù)民族村寨高精度、紋理粘合度好的三維模型，在降低時間和費用成本的同時，也能夠詳細(xì)地反映地物精確的位置信息和表面的細(xì)節(jié)紋理，以及地物的空間相對關(guān)系。 本文主要以云南省紅河州標(biāo)水巖哈尼族聚集村寨為研究區(qū)域，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了少數(shù)民族村寨實景三維模型構(gòu)建的方法，為有效推進(jìn)少數(shù)民族傳統(tǒng)村寨保護(hù)與發(fā)展提供大數(shù)據(jù)支持。

首先，具有真實紋理的高精度少數(shù)民族村寨三維模型，可以使領(lǐng)導(dǎo)者或當(dāng)?shù)卣芾聿块T全面地了解當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)情況，宏觀掌握村寨現(xiàn)有的空間格局、建筑設(shè)施及環(huán)境風(fēng)貌。同時，也為少數(shù)民族村寨的保護(hù)與發(fā)展進(jìn)程跟蹤管理提供了新思路。其次，通過三維實景模型將少數(shù)民族傳統(tǒng)民居的現(xiàn)有空間格局進(jìn)行模擬，能夠直接清楚地看出存在問題以及科學(xué)地制定未來空間格局的建設(shè)方案，幫助村民合理地保留和延續(xù)少數(shù)民族傳統(tǒng)村落的原始風(fēng)貌和文化，提升村民保護(hù)與傳承村落文化的自發(fā)性。最后，面對因旅游發(fā)展造成民族村寨和優(yōu)秀文化瓦解或消逝的現(xiàn)象，應(yīng)用實景三維模型可使游客從任意方向和角度瀏覽景區(qū)的實際自然風(fēng)貌，擁有身臨其境的感覺。由于影像和模型具有準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，也可為少數(shù)民族村寨的資源調(diào)查、景區(qū)規(guī)劃、面積計算等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文的方法對于探索少數(shù)民族村寨的保護(hù)與發(fā)展具有一定的應(yīng)用價值，但還存在一些問題需要持續(xù)探索和改進(jìn)。在本次研究中，由于影像數(shù)據(jù)較多，在進(jìn)行操作時在重建模型方面花費了較多時間，且仍會出現(xiàn)一些細(xì)節(jié)部分不完善、少部分紋理丟失等情況，建議可采用集群的方法多設(shè)備進(jìn)行操作，以便優(yōu)化模型的效果和提升建模效率，提高實景三維模型的應(yīng)用價值和前景。未來可進(jìn)一步研究如何采集更豐富的紋理信息，提高模型效果和數(shù)據(jù)質(zhì)量，以及研究如何將三維GIS與三維實景模型深入結(jié)合，實現(xiàn)對三維模型的分析和處理，探索其在少數(shù)民族村寨保護(hù)中的應(yīng)用，為少數(shù)民族村寨的保護(hù)與傳承提供幫助。