湯曹輝，楊小軍

(浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 杭州 310000)

0 引言

長(zhǎng)期以來，獲取村落建筑、景觀數(shù)據(jù)都以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量為主，借助AutoCAD 軟件進(jìn)行村落平面圖的繪制。但CAD制圖僅限于二維尺度，不能以三維立體的方式直觀表達(dá)場(chǎng)地各項(xiàng)數(shù)據(jù)，測(cè)量方式耗時(shí)長(zhǎng)且數(shù)據(jù)繁雜易出錯(cuò)，對(duì)數(shù)據(jù)處理人員的勘測(cè)的精確度和專業(yè)性有更高要求。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用如利用多視圖三維建模技術(shù)，需要三維掃描儀、Micro-CT 等設(shè)備，雖便捷高效，但設(shè)備昂貴且操作復(fù)雜，較難推廣應(yīng)用。Agisoft PhotoScan（以下簡(jiǎn)稱AP）因其操作簡(jiǎn)易、測(cè)量精準(zhǔn)、能快速建立并儲(chǔ)存多視圖的三維模型等特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)不斷凸顯，為浙江歷史文化村落的保護(hù)利用提供了新的路徑和方法。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2013 年至今，浙江省已啟動(dòng)九批390 個(gè)歷史文化村落重點(diǎn)村保護(hù)利用工作，浙江省歷史文化村落保護(hù)利用，已成為浙江省推進(jìn)“千萬(wàn)工程”、高質(zhì)量建設(shè)發(fā)展共同富裕示范區(qū)、展現(xiàn)新時(shí)代美麗鄉(xiāng)村建設(shè)成效的文化之窗、璀璨明珠和點(diǎn)睛之筆[1]。巖下村位于浙江省麗水市縉云縣，為中國(guó)傳統(tǒng)村落、浙江省歷史文化村落。巖下村古建筑遺存較多，建筑以石砌為主，村內(nèi)現(xiàn)存石砌古民居28 處，古祠堂、古寺廟、古戲臺(tái)、古橋、古道各1 處，最古老的四合院建于清康熙年間，距今有300 多年的歷史。村落遠(yuǎn)離城市，位于海拔600米的山間谷地之中，呈現(xiàn)出傳統(tǒng)村落原有樸實(shí)的風(fēng)貌特征，具有浙南山地村落石居建筑風(fēng)格。巖下石頭古建筑群于2017年被列為浙江省級(jí)文物保護(hù)單位，具有較高的保護(hù)利用價(jià)值，故本文以巖下村為研究樣本。

1.2 航片拍攝

AP軟件以圖片作為數(shù)據(jù)生成的基礎(chǔ)，但拼接處理的效果受多種因素的影響，其中以無人機(jī)所獲取影像數(shù)據(jù)的完整性為最。所以拍攝航片應(yīng)把握好整體原則，保證每張航片的清晰度、色差、亮度等參數(shù)保持一致。不同種類的物體采用不同方式，對(duì)于單體建筑采用環(huán)視拍攝，對(duì)于村落群體建筑采用多視平行拍攝。對(duì)于村落平面圖的拍攝一般采取往復(fù)折線法進(jìn)行，確保兩張相鄰圖片間的重疊率在60%以上，便于AP軟件識(shí)別處理。

設(shè)定無人機(jī)以200 米的恒定高度飛行，過高難以保證拍攝照片的精度，過低則會(huì)造成建筑透視角過大，不利于照片的后期拼接。隨后按照預(yù)定軌道進(jìn)行航片拍攝，共采集獲取無人機(jī)航拍21 張，相鄰圖片重疊率為70%。拍攝完成后，需要對(duì)航片做預(yù)處理，統(tǒng)一每張航片的亮度、色調(diào)，預(yù)處理后的照片效果將直接影響圖片拼接的紋理效果[2]。

1.3 AP軟件操作與應(yīng)用

⑴添加照片

打開AP 軟件，在界面左側(cè)“工作區(qū)”菜單，選擇“添加堆塊”，即新建一個(gè)項(xiàng)目。再點(diǎn)擊界面上方菜單欄“工作流程”菜單，選擇“添加照片”，添加需要拼接的照片。期間可以標(biāo)記照片中的地面控制點(diǎn)，標(biāo)記也可用作圖片連接點(diǎn)，提高“對(duì)齊照片”的精準(zhǔn)度[3]。

⑵對(duì)齊照片

點(diǎn)擊界面上方“工作流程”菜單，選擇“對(duì)齊照片”，選擇圖片“對(duì)齊精度”，對(duì)齊精度與照片對(duì)齊效果成正比，照片對(duì)齊越精準(zhǔn)，所需時(shí)間也越長(zhǎng)，點(diǎn)擊確認(rèn)，即可自動(dòng)對(duì)齊照片。無人機(jī)在拍攝航片時(shí)會(huì)記錄拍攝點(diǎn)角度、經(jīng)緯度、海拔等信息，AP軟件以記錄的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，檢測(cè)匹配各照片的共同點(diǎn)，最終形成稀疏點(diǎn)云。

⑶生成密集點(diǎn)云

點(diǎn)擊界面上方“工作流程”菜單，選擇“建立密集點(diǎn)云”，密集點(diǎn)云的精度高低與航片拼接處理的準(zhǔn)確度成正比。密集點(diǎn)云的生成，它是基于圖片本身的圖像信息和航拍拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)來確定的，AP軟件根據(jù)航片中的數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)檢測(cè)照片之間的共同點(diǎn)并完成匹配，匹配結(jié)果可被編輯和分類，進(jìn)一步生成三維網(wǎng)格模型。

⑷生成網(wǎng)格

AP軟件在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，生成三維多邊形網(wǎng)格來表示物體表面。點(diǎn)擊界面上方“工作流程”菜單，選擇“生成網(wǎng)格”，軟件彈窗內(nèi)“表面模型”選擇“任意”、“源數(shù)據(jù)”選擇“密集點(diǎn)云”，“面數(shù)”根據(jù)需求選擇相應(yīng)精度。

⑸生成紋理

點(diǎn)擊界面上方“工作流程”菜單，選擇“生成紋理”，軟件彈窗“混合模式”選擇“鑲嵌”，“映射模式”選擇“正射影像”，紋理大小選擇“4096”。AP軟件生成的紋理是將單張平面照片根據(jù)航片中的地理信息將航片合成為三維模型的表面貼圖。在此基礎(chǔ)上，不僅能建立三維實(shí)景模型傳輸至3Dmax 等建模軟件中，還可以將照片中的紋理信息轉(zhuǎn)換成平面正射影像。AP 軟件所生成的三維模型，是一個(gè)承載大量信息的建造模型，為歷史建筑、歷史文化村落進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)提供了可能。

⑹成果輸出

AP軟件導(dǎo)出格式多且支持?jǐn)?shù)據(jù)的分類輸出，能滿足不同類型的數(shù)據(jù)處理需求。將密集點(diǎn)云導(dǎo)出為XYZ Point Cloud，文件格式為txt，可作為測(cè)繪軟件的數(shù)據(jù)來源。將3D 模型導(dǎo)出為DXF 文件格式可作為3Dmax 等三維軟件的數(shù)據(jù)載體，進(jìn)行高精度建模。將Orthomosaic（正射影像）導(dǎo)出為jpg 圖片或kmz 格式，可導(dǎo)入地圖軟件進(jìn)行空間變化分析。將等高線信息導(dǎo)出為shp 等格式，生成文件可導(dǎo)入地圖軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[4]，如圖1所示。

圖1 巖下村航拍合成圖

2 村落平面形態(tài)量化應(yīng)用

2.1 現(xiàn)狀分析

近年來，城鎮(zhèn)化高速發(fā)展和鄉(xiāng)村盲目建設(shè)一定程度上破壞了村落空間形態(tài)的地域性、文化性和多樣性，導(dǎo)致村落文脈斷裂、村落傳統(tǒng)格局破壞和村落空間無序發(fā)展等問題。在未來鄉(xiāng)村規(guī)劃過程中，村落空間格局的延續(xù)與優(yōu)化是一個(gè)亟待解決的問題。村落平面形態(tài)的研究，多以定性分析和歸納為主，最常見的是以點(diǎn)、線、面為基本元素進(jìn)行村落形態(tài)分析，將其分為塊狀聚落、線狀聚落、點(diǎn)狀聚落，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行意象分析。

本文以村落中的主要空間構(gòu)筑物——建筑、院墻為最小測(cè)量單位，其平面輪廓為基本要素，用不規(guī)則的幾何圖形簡(jiǎn)化無序的村落空間。AP 軟件可提取村落平面圖形的面積、周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)，將各數(shù)據(jù)進(jìn)行組合計(jì)算，以此獲取可使用的平面圖形量化指標(biāo)。如村落平面形態(tài)的延伸率、形狀率、圓形率、聚集度等數(shù)值，通過這幾項(xiàng)量化指標(biāo)界定村落的平面形態(tài)特征。

2.2 提取方法

本文參考愛德華·T·霍爾在《隱匿的尺度》一書中的相關(guān)論述，結(jié)合鄉(xiāng)村聚落邊界尺度的提取方法，并充分考慮村落規(guī)模、建筑尺度、社會(huì)視域以及研究樣本中村落邊界數(shù)據(jù)，最終以50m作為村落邊界的尺度。在不超過村落邊界尺度的基礎(chǔ)上，將村落邊緣的建筑單體的轉(zhuǎn)角頂點(diǎn)相連，繪制出村落邊界，如圖2所示。

圖2 巖下村平面量化分析圖

2.3 計(jì)算分析

形狀指數(shù)在景觀生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，采用與村落等面積、等長(zhǎng)寬比的橢圓周長(zhǎng)與村落邊界周長(zhǎng)的比值，來反映該村落與該橢圓在形狀上的偏離指數(shù)，可以較準(zhǔn)確地反映村落的形狀特征，記為形狀指數(shù)S[5]，如式⑴所示。

其中，P 為橢圓周長(zhǎng)，A 為橢圓面積，λ 為橢圓長(zhǎng)寬比。經(jīng)過AP 軟件測(cè)算分析可得：巖下村村落面積為42620.29m2，村落長(zhǎng)軸為243.34m，短軸為88.74m，村落長(zhǎng)寬比λ為2.74，橢圓周長(zhǎng)為872.39m。將以上數(shù)據(jù)代入形狀指數(shù)公式，求得巖下村平面形態(tài)的形狀指數(shù)為0.92。文獻(xiàn)[6]對(duì)22個(gè)浙江傳統(tǒng)鄉(xiāng)村聚落的平面形態(tài)進(jìn)行了量化分析，最終歸納分析出當(dāng)S＜2 且λ≥2 時(shí)，村落為帶狀聚落。因此在村落平面量化分析的基礎(chǔ)上，以主觀意象分析為輔助，可以得出：巖下村位于山間谷地之中，村落空間發(fā)展受周邊山體制約，導(dǎo)致村落空間沿河流、道路兩側(cè)延伸，是典型的山地帶狀村落。

3 村落土地分析應(yīng)用

3.1 現(xiàn)狀分析

土地作為人類活動(dòng)的空間載體，與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)，為人類提供各類產(chǎn)品和服務(wù)，并不斷作用于人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、政治等各個(gè)領(lǐng)域。城鎮(zhèn)化快速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型背景下，包含異地搬遷、土地指標(biāo)問題在內(nèi)的農(nóng)村土地矛盾較為突出，增加了歷史文化村落的保護(hù)的難度。因此在對(duì)歷史文化村落土地利用類型進(jìn)行量化研究的基礎(chǔ)上，解析其時(shí)間與空間的變化特征與存在問題，進(jìn)一步推動(dòng)村落土地空間進(jìn)行合理的布局，有利于歷史文化村落的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 提取方法

將AP 軟件拼接合成的航片導(dǎo)入ArcGIS 軟件，矢量化先前繪制的村落底圖，處理后的圖片導(dǎo)入ENVI軟件，進(jìn)行圖片裁剪以及訓(xùn)練樣區(qū)的選取，分類處理采用最大似然法，提取村落道路、建筑、水體、綠地四大土地利用類型，最終得到巖下村的土地利用類型監(jiān)督分類結(jié)果，如圖3所示。

圖3 巖下村最大似然法分類圖

3.3 計(jì)算分析

在軟件中導(dǎo)出村落物像元個(gè)數(shù)，計(jì)算各土地利用類型占比，在村落總面積已知的前提下，計(jì)算出村落土地利用類型的面積及相關(guān)量化數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 土地類型信息表

從圖3可以直觀地判斷出巖下村建筑、道路、水體的分布情況，結(jié)合表1 村落各土地利用類型的面積大小和所占比例的數(shù)據(jù)，可得出巖下村村落土地利用類型占比最高的為建筑和綠地，其次是道路，占比最低的為水體。通過AP 軟件和ENVI 軟件量化村落的地理信息，能有效指導(dǎo)村落的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

4 村落數(shù)字博物館建設(shè)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)狀分析

近些年，許多歷史文化村落正在遭受破壞，村落數(shù)字博物館的建設(shè)為歷史文化村落的保護(hù)和活態(tài)傳承提供了新路徑，可實(shí)現(xiàn)村落遺產(chǎn)“永久保存”。當(dāng)下村落數(shù)字博物館的建設(shè)多用VR 全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來呈現(xiàn)，但村落建筑物眾多，具有眾多復(fù)雜的建筑形制，單個(gè)模型的構(gòu)建通常使用常規(guī)的建模軟件3DMax、Autodesk Maya 等即可完成。但通常村落都具有復(fù)雜建筑形制和村落場(chǎng)景，傳統(tǒng)建模軟件無法準(zhǔn)確還原村落所處的自然山水格局與地形變化，并且具有精度無法把握、建模工作量大、成本高等缺點(diǎn)。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

AP軟件的多視圖3D建模功能可以高效地采集村落信息，生成高精度三維數(shù)字模型，并減少場(chǎng)景構(gòu)建和復(fù)雜模型創(chuàng)建的工作量、成本，使歷史文化村落的場(chǎng)景展現(xiàn)會(huì)更加真實(shí)，滿足村落VR 虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建需求，將村落通過數(shù)字化的方式保留下來。其生成的三維可視化模型是村落VR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，用戶在客戶端游覽村落，以線性、并行的方式更直觀地了解村落區(qū)位、生態(tài)環(huán)境、傳統(tǒng)建筑、特色文化等，給人以身臨其境之感[7]，如圖4所示。

圖4 巖下村三維模型圖

5 結(jié)束語(yǔ)

Agisoft PhotoScan 基于其簡(jiǎn)易的用戶操作界面、高精度的自動(dòng)化系統(tǒng)、先進(jìn)的計(jì)算算法等特點(diǎn)，可拼接生成正射投影圖形和三維模型。在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS 和ENVI 軟件，采用量化的方式分析村落建筑空間、土地利用類型占比、變化趨勢(shì)等，有利于村落規(guī)劃的合理布局。并且能生成三維可視化真彩色模型，場(chǎng)景還原度高，為村落數(shù)字博物館的建設(shè)提供了新的方法，為歷史文化村落的前期數(shù)據(jù)測(cè)量、中期的研究分析和后期的保護(hù)利用提供了新的路徑。研究中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)采集的航片普遍存在建筑透視問題，如AP軟件在拼接過程中會(huì)出現(xiàn)小范圍的圖像變形和缺失。因此，在今后的數(shù)據(jù)采集中建議以無人機(jī)拍攝的航片為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)地測(cè)繪、激光雷達(dá)測(cè)量等方式，來彌補(bǔ)航拍攝影測(cè)量時(shí)存在的誤差，以獲取村落更為準(zhǔn)確的地理信息。