郭天偉，董坤烽，楊 敏，楊永明，李筱懿

（1. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，云南 大理 671006；2. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)云南省高校山地實景點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用重點(diǎn)實驗室，云南 大理 671006；3. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)多源數(shù)據(jù)融合實景三維構(gòu)建研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊，云南 大理 671006；4. 云南建投第一勘察設(shè)計有限公司，云南 昆明 650031；5. 大理州設(shè)計院有限公司，云南 大理 671000）

革命舊址是指近代以來見證中國各族人民長期革命斗爭和中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)的新民主主義革命和社會主義革命，反映革命文化的遺址、遺跡和紀(jì)念建筑[1]。革命舊址是一種特殊類型的不可移動文物，在傳承紅色基因、加強(qiáng)愛國主義教育、培育社會主義核心價值觀等方面發(fā)揮了不可缺少的作用[2]。在外來文化輸入嚴(yán)峻的情況下，需要對各個地方的革命舊址進(jìn)行保護(hù)和發(fā)掘，形成紅色教育基地和一部部活歷史資源，進(jìn)而對下一代注入源源不斷的紅色基因，讓長征精神、井岡山精神、延安精神和大慶精神等一路傳承下去，永不凋零，無論是在歷史價值、藝術(shù)價值、科學(xué)價值，還是在社會價值和文化價值中都凸顯出不可替代的地位。我國革命舊址大多位于村鎮(zhèn)當(dāng)中，保護(hù)與利用這些革命舊址不僅可以發(fā)揚(yáng)和繼承紅色文化，而且可以完善村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，盡快完成鄉(xiāng)村振興[3]。隨著時代的發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化率正在不斷提高，一方面為追求經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對革命舊址進(jìn)行了拆除，另一方面由于一些公眾、學(xué)者對革命舊址概念的模糊化，導(dǎo)致革命舊址沒有得到充分保護(hù)，甚至遭到遺棄，這些都說明了革命舊址保護(hù)工作已迫在眉睫，必須得到解決才能將紅色文化深刻保留[4]。革命舊址保護(hù)通常先去現(xiàn)場調(diào)研，再對舊址區(qū)域進(jìn)行測繪，因此測繪在革命舊址保護(hù)中具有重要作用，所獲得的精確數(shù)據(jù)是不可缺少的。在對革命舊址的保護(hù)中，因其大多數(shù)處于村鎮(zhèn)，建筑很密集、錯綜復(fù)雜，且大多為土房、年代已久，利用傳統(tǒng)測繪技術(shù)手段費(fèi)時費(fèi)力，得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)精度較低，進(jìn)而影響后續(xù)的數(shù)字圖像表現(xiàn)、虛擬現(xiàn)實等工作的開展。隨著科技的發(fā)展，測繪技術(shù)也在不斷前進(jìn)，新興的UAV傾斜攝影測量技術(shù)在建筑測繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]，尤其是在大比例尺地形圖測繪、植被監(jiān)測、礦山測量、應(yīng)急測繪和城市勘測等方面發(fā)揮了非常重要的作用[7-9]。該技術(shù)的優(yōu)勢在于高效、便捷，可用最短時間獲取大比例尺數(shù)字地形圖，減少外業(yè)工作；可無接觸地獲取建筑物密集區(qū)數(shù)據(jù)，大大提高工作效率；可得到三維立體場景數(shù)據(jù)，在革命舊址保護(hù)中進(jìn)行多方面多視角地運(yùn)用，進(jìn)而高效、精確地完成革命舊址保護(hù)工作；還可用于規(guī)劃革命舊址以及宣傳、導(dǎo)游。

本文以云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣柯渡鎮(zhèn)丹桂村紅軍長征舊址為研究對象，通過多旋翼UAV搭載5 鏡頭相機(jī)一次性獲取5 組影像，然后利用運(yùn)動恢復(fù)結(jié)構(gòu)（SfM）[10]和多視角立體視覺（MVS）算法[11]構(gòu)建三維立體場景和數(shù)字高程模型（DEM）；再將得到的數(shù)據(jù)通過目視解譯、CASS 3D 軟件二維數(shù)據(jù)采集等方法量測和分析地形特征；最后探討了傾斜攝影測量技術(shù)在革命舊址保護(hù)中的調(diào)查和特征精度。

1 關(guān)鍵技術(shù)方法

傾斜攝影測量系統(tǒng)主要包括搭載平臺、傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[12-13]3 個部分。飛行平臺多為多旋翼UAV，通過飛行平臺搭載的飛控系統(tǒng)，可同步記錄相機(jī)拍攝時的POS 位置信息和飛行姿態(tài)等信息，具有飛行可靠性高、起飛和著陸場地要求低、操作使用簡單等特點(diǎn)；傳感器主要為5 鏡頭一體化相機(jī)，選用高分辨率鏡頭，其中4 個鏡頭為側(cè)方向，一個鏡頭為垂直方向，可快速一次性獲取同一地區(qū)的多方位影像；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)本文采用Smart 3D Capture 軟件，主要利用SIFT 算法[14]對影像特征點(diǎn)進(jìn)行提取，再進(jìn)行匹配，且軟件集成了SfM-MVS 算法[15-16]，可連續(xù)完成構(gòu)建稀疏點(diǎn)云、構(gòu)建稠密點(diǎn)云、格網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射等任務(wù)，從而構(gòu)建三維立體場景、DEM、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

2 項目應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

本文選取云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣柯渡鎮(zhèn)丹桂村作為研究區(qū)，該村是紅軍長征總部舊地駐址，建有紅軍長征柯渡紀(jì)念館，1992年4月被定為云南省近、現(xiàn)代史與國情教育基地，1997年被列為省愛國主義教育基地，2005年被確定為全國紅色旅游百個經(jīng)典景區(qū)之一，因此需加強(qiáng)對該革命舊址的保護(hù)[17]。村內(nèi)建筑主要由一幢一進(jìn)兩院的四合院落和閣樓組成，房屋較密集、錯綜復(fù)雜，測區(qū)總面積為0.059 km2，地勢東高西低，呈一面坡形勢，最大高差約為50 m。利用傳統(tǒng)測繪手段很難完成精確測量，但利用傾斜攝影測量技術(shù)可采集測區(qū)高精度數(shù)據(jù)，形成三維模型和DEM數(shù)據(jù)，有利于后續(xù)對革命舊址的保護(hù)、修繕以及對外三維場景瀏覽。

2.2 技術(shù)路線

傾斜攝影測量技術(shù)流程主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個環(huán)節(jié)，技術(shù)路線見圖1。首先通過外業(yè)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，通過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，對數(shù)據(jù)添加像控點(diǎn)以保證獲得正確的坐標(biāo)系，并進(jìn)行影像密集匹配、構(gòu)建點(diǎn)云和點(diǎn)云加密；再對數(shù)據(jù)進(jìn)行三維格網(wǎng)構(gòu)建，完成紋理映射；最終建立三維場景數(shù)據(jù)。

圖1 傾斜攝影測量技術(shù)流程圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

本文采用大疆經(jīng)緯M300 RTK 多旋翼UAV 搭載SHARE 102S 五鏡頭相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，中間垂直鏡頭焦距為25 mm，4個傾斜攝影鏡頭焦距為35 mm，像元尺寸為3.9 μm。通過測區(qū)踏勘規(guī)劃航線，設(shè)置UAV飛行高度為70 m，航向重疊率為85%，旁向重疊率為80%，共設(shè)計22條航線，飛行1個架次，影像地面分辨率為1 cm，最終獲得影像7 700 張。地面像控點(diǎn)數(shù)量及其布設(shè)位置對后期數(shù)據(jù)區(qū)域網(wǎng)加密的準(zhǔn)確性影像很大[18]。像控點(diǎn)可在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中最大限度地改正因航攝姿態(tài)不穩(wěn)定等外界因素造成的部分影像傾斜角過大、相片畸變差較大的問題，本文采用沿測區(qū)邊界和測區(qū)內(nèi)部均勻布設(shè)的方法，利用千尋SR3網(wǎng)絡(luò)RTK接收機(jī)接入千尋CORS網(wǎng)絡(luò)，選用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)采集像控點(diǎn)。像控點(diǎn)布設(shè)和UAV飛行航線見圖2。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)和UAV飛行航線布設(shè)

2.4 三維數(shù)據(jù)生成

首先對外業(yè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和預(yù)處理，然后采用集成了SfM-MVS 算法的Smart3D Capture 軟件對采集數(shù)據(jù)構(gòu)建三維立體場景，將像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)入刺點(diǎn)，從而形成了最終的三維立體場景（圖3）和DEM數(shù)據(jù)（圖4）。

圖3 三維立體場景

圖4 DEM

2.5 數(shù)據(jù)分析與精度檢驗

通過三維立體場景可對該革命舊址進(jìn)行三維瀏覽，使游客輕松瀏覽實地場景，四合院落以及墻面上繪制的毛澤東語錄清晰可見（圖5）；房屋是革命舊址中的重要地物，擁有較貼近實際場景的三維立體數(shù)據(jù)，對后續(xù)的房屋修繕或規(guī)劃都有重要的參考意義。由圖6 可知，房屋外部整體紋理非常清晰，墻面、窗戶和屋頂瓦片等，甚至當(dāng)時樹的陰影都可直觀清晰地反映出來，與現(xiàn)場拍攝的照片非常接近，綜上所述，三維立體場景數(shù)據(jù)表面效果很貼近實際場景。

圖5 三維立體場景局部

圖6 三維立體場景房屋

2.5.1 立體場景平面與高程精度分析

三維立體場景的精度分析是將模型中提取檢查點(diǎn)（圖7）與外業(yè)實測點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行對比[19]。本次測區(qū)共布設(shè)了12個檢查點(diǎn)，均勻分布，編號為C1～C12。利用CASS 3D 軟件提取三維立體場景中的檢查點(diǎn)坐標(biāo)，再與RTK 實測坐標(biāo)進(jìn)行比較，利用式（1）計算得到平面位置中誤差和高程中誤差（表1）。

表1 平面與高程精度分析

圖7 檢查點(diǎn)分布圖

式中，M為中誤差；Δi為坐標(biāo)差值；n為各坐標(biāo)差值數(shù)量。

由表1可知，X方向的最小差值為0.009 m，最大差值為0.044 m，總體中誤差為±0.030 m；Y方向的最小差值為0.014m，最大差值為0.043m，總體中誤差為±0.023m；高程差值的最小值為0.015 m，最大值為0.048 m；平面點(diǎn)位偏移量的最小值為0.021 m，最大值為0.050 m，總體中誤差為±0.038 m，整體精度良好，差值都在5 cm以內(nèi)，均可滿足1∶500大比例尺數(shù)字地形圖成圖規(guī)范要求，可利用CASS 3D軟件對三維立體場景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得二維矢量1∶500大比例尺數(shù)字地形圖，為今后的革命舊址保護(hù)工作提供精確數(shù)據(jù)。

2.5.2 立體場景線元素精度分析

為進(jìn)一步驗證三維立體場景數(shù)據(jù)精度，本文以點(diǎn)位為基礎(chǔ)，通過Acute3D Viewer 軟件的測量工具量取立體場景中地物的線元素，然后與實測值進(jìn)行比較，進(jìn)而評估數(shù)據(jù)精度。采用平均精度作為三維立體場景的精度評價指標(biāo)，計算公式為：

式中，Δi為各檢測對象的誤差值；n為檢測對象數(shù)量；Di為各檢測對象實測長度值。

為保證采集時不出現(xiàn)粗差現(xiàn)象，本文在三維立體場景中選擇的對象均為具有明顯規(guī)則的標(biāo)志，利用軟件對選取的7 類檢測對象（圖8）的線元素進(jìn)行測量，并將該值與實測值進(jìn)行對比，結(jié)果見表2，可以看出，各線元素差值均在5 cm 以內(nèi)，平均差值為2 cm，說明UAV傾斜攝影測量技術(shù)可高精度還原革命舊址真實場景，構(gòu)建質(zhì)量較高的三維立體場景（平均精度為99.2%）。局部數(shù)據(jù)的高精度可說明整體三維立體場景精度較高，可為后續(xù)革命舊址保護(hù)提供精確數(shù)據(jù)。

表2 線元素檢測結(jié)果對比表

圖8 線元素檢測對象

3 結(jié) 語

本文主要利用UAV傾斜攝影測量技術(shù)獲取革命舊址的影像數(shù)據(jù)，然后利用SIFT算法提取匹配影像特征點(diǎn)，再利用SfM-MVS算法構(gòu)建三維立體場景，最后利用三維立體場景數(shù)據(jù)對平面和高程位置精度以及線元素精度進(jìn)行了分析。

1）利用UAV 傾斜攝影測量技術(shù)可快速、安全地獲得外業(yè)數(shù)據(jù)，尤其是對于房屋密度較大的革命舊址，采集效率較高，極大地節(jié)省了人力物力，且獲得的數(shù)據(jù)類型較多，可利用多種數(shù)據(jù)在舊址保護(hù)中發(fā)揮作用，尤其是形成三維立體場景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)），可直觀反映測區(qū)的真實狀況，便于制定出更加合理、科學(xué)的革命舊址保護(hù)和修復(fù)方案。

2）通過CASS 3D 軟件對構(gòu)建的三維立體場景進(jìn)行平面和高程點(diǎn)位精度質(zhì)量評估，最終結(jié)果符合1∶500大比例尺數(shù)字地形圖成圖規(guī)范要求，可為革命舊址保護(hù)提供更加精確的二維矢量化數(shù)據(jù)。對三維立體場景中的線元素進(jìn)行質(zhì)量檢測發(fā)現(xiàn)，模型精度可達(dá)厘米級，平均精度為99.2%，整體精度良好，說明該三維立體場景可用于革命舊址保護(hù)，為其提供精確的基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)。

3）三維數(shù)據(jù)還可作為革命舊址中的三維場景游覽數(shù)據(jù)，紋理清晰，為前來參觀學(xué)習(xí)者提供前瞻瀏覽功能。在數(shù)據(jù)后續(xù)利用中，還可對建筑模型進(jìn)行單體化建模，便于為今后的革命舊址修復(fù)工作提供精確的立體數(shù)據(jù)，更好地為革命舊址保護(hù)工作提供決策性數(shù)據(jù)支撐。