無人機快速建模技術在民族建筑保護中的應用

王策 荀子航 陳祖滔 王楠楠 王慶春

[摘要]以黑龍江省同江市赫哲族為例，研究了少數民族特色建筑的無人機快速三維數字建模，重點研究了模型制作流程及模型優化方法。首先設置無人機航拍路徑，通過無人機拍攝圖像，獲取多角度的傾斜攝影數據圖像，并對圖像進行算法處理，計算出準確的地物坐標，達到快速精確建立民族地區特色建筑的三維實景模型的目的，并通過后期處理技術對生成的三維模型加以修復，刪除多余的物體，并完善模型細節構造，實現民族地區特色建筑的數字重建，達到對這些珍貴文化遺產進行數字化保護的目的。

[關鍵詞]快速建模；少數民族建筑；數字化保護；無人機 文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0026 - 04

隨著社會文化建設重要性的逐步提高，具有民族特色和歷史傳統的建筑文化保護也越發被重視。保護中國民族歷史建筑也是對世界和人類寶貴建筑文化的貢獻。赫哲族作為中國“六小”民族之一，是中國東北地區有著悠久歷史的極少數民族。如今赫哲族主要分布地位于黑龍江、松花江、烏蘇里江三江交匯處的三江平原和完達山余脈。赫哲族人口稀少，且擅長漁獵，房屋一般位于沿江的高地，流動性強，便于隨時遷移搭蓋。2010年第六次全國人口普查的統計數據顯示，赫哲族人口數僅為5354人，因此對其民族的特色建筑的保護重視程度遠遠不夠。本項目的試點地區黑龍江省同江市位于黑龍江省東北部松花江與黑龍江兩江交匯處南岸，正是赫哲族的主要聚居地，同時也是赫哲族歷史文化的展示窗口。

1 赫哲族建筑快速建模的主要技術路線

赫哲族民族建筑的三維模型一般分為傳統建模和無人機快速建模兩種。傳統建模需要人工采集數據、圖像并進行后期處理，應用3D MAX等軟件建立三維模型；無人機快速建模技術則通過操控無人機拍攝傾斜攝影圖像，再使用實景建模軟件BentleyContextcapture快速生成數字化模型。

1.1傳統三維模型制作技術

傳統的三維建模技術主要分三個步驟完成，具體流程見圖1。

（1）數據的收集與分析少數民族特色建筑相關資料的收集工作主要針對其歷史文化背景、地理人文環境、發展歷程等進行調查了解。一般做法是去當地進行調查，采訪當地的原著居民或相關人物，通過拍照、錄音、錄像等方式記錄重要信息，再通過上網查詢相關文獻資料，二者結合對收集的資料進行整理分析，以此達到更充分全面了解少數民族特色建筑的背景和內涵的目的。同時獲得的圖文信息可以作為后期交流展示的圖文素材。

（2）資料采集資料采集工作一般通過實地測量完成。實地測量指到少數民族特色建筑所在地進行各項數據的測量。其目的是得到更精準的民族建筑的原始數據，從而更準確地復原少數民族建筑的原貌。其中建筑外部和內部的尺寸數據是測量的重點。通過具體尺寸數據使用CAD軟件詳細繪制出建筑的外部和內部結構，并繪制出建筑的正面結構圖、側面結構圖和底面結構圖。除此之外，還需要對少數民族建筑周邊的地形地貌及綠化情況做相應的測量。

（3）整體處理需要處理的數據包括：航拍資料、地形圖資料、實地測量數據等。通過多次試驗、檢測對數據進行認真分析，以保證合理充分利用各種已有資料。其中最重要的即為三維模型的建立，少數民族特色建筑的三維模型的建立一般使用3DMAX軟件，模型的貼圖需要使用專業的圖形圖像處理軟件photoshop。

1.2無人機快速建模技術

無人機快速建模主要應用的是傾斜攝影技術[1]。傾斜攝影技術是近年來國際測繪領域興起的一門技術。在傳統航空攝影技術的基礎上，通過飛行平臺搭載多臺航攝儀器和相應的優化空間算法完成了對傾斜影像與正射影像的融合，彌補了傳統航空攝影技術只有正攝影像的不足。無人機采集圖像如圖1所示，其原理是通過傾斜攝影的方式獲取地物各個角度的物理特性與幾何特性。技術示意圖（如圖2）再通過立體攝影測量的方法，根據拍攝所得影像的像點坐標求解出對應的地物點空間坐標，并通過三角構網的方式，由點連線，然后構成面，形成一個有三角網構成的三維場景[2]。

少數民族特色建筑數字化保護建模的主要問題集中于：數據采集工作任務量大、拍攝的影像容易存在缺失、曝光過度等問題。后期建模也只能依靠前人經驗和僅有資料分析建筑的細部構造。并且由于拍攝角度單一，建模時往往很難精細建造屋頂房梁的細部構造，照片的拍攝順序也不一定符合建模的觀察習慣，拍攝圖像傾斜度不同，也加大了紋理貼圖的制作難度。且存在照片順序混亂、照片曝光度不一的問題，浪費了很多建模時間和紋理貼圖的時間。 傾斜攝影技術通過獲取多方位視角影像，從而獲取所攝物體三維信息，相比傳統三維建模方式可以更為快捷的獲取建筑物全方位紋理信息，通過數據計算處理能夠準確生成三維模型[3]。此外近年來無人機技術發展迅速，也由此誕生了很多相關軟件如Bentley Contextcapture、Altizure等。多方面綜合看來，無人機快速建模技術在民族建筑數字化保護方面具有極大的優勢。

1.3 無人機快速建模技術的方案設計

（1）無人機飛行設計根據規劃位置的地理信息對飛行軌跡及鏡頭角度進行規劃設計，項目成員到達黑龍江省同江市八岔赫哲族鄉后，根據當地風速、天氣（是否多云、有雨等）對實際飛行軌跡進行優化，保證拍攝影像清晰準確，并結合GPS84校核位置信息后進行拍攝。根據實際情況首先選擇較為安全的地形區域進行試飛，確認無人機信號良好的安全距離。考慮到同江市八岔赫哲族鄉臨近中俄邊境，因此采用Altizure結合手動校準飛行，確保了飛行安全。拍攝過程中因信號弱等問題，對地塊實時進行修改設計，針對部分區域進行多次掃描，其他區域手動飛行，后期根據情況進行影像手動補拍[4]。

（2）圖像處理無人機影像初步設計拍攝150張左右（全區域垂直30，南北向傾斜50，東西向傾斜50，補拍20張左右），記錄各影像拍攝位置信息，后期處理中應對影像中出現的活動物（鳥、汽車、人等）進行刪除或修改，以免影響生成模型準確性具體。影像處理完成后應對影像和拍攝點位置信息進行匹配，使用ContextCapture進行粗差校核修改，生成位置點自由網，根據生成結果判斷是否需要進一步修改操作，若確認影像控制位置無誤后，開始模型第一次試生成。

（3）無人機圖像采集十月初項目組成員使用大疆無人機對同江市八岔赫哲族鄉進行了無人機拍攝，取得照片一百余張，并記錄全部拍攝位置GBS信息，采用傾斜攝影通用拍攝角度進行拍攝，照片完整，實時生成模型如圖3所示。

2 基于赫哲族的三維實景建模技術

2.1 赫哲族建筑圖像數據采集

本文以同江市赫哲族民族建筑為例，該地區位于黑龍江、松花江、烏蘇里江三江交匯處的三江平原和完達山余脈，山地丘陵少，平原低地多。選取“大疆悟INSPIRE l Pro”無人機，并使用Bentley Alti-zure軟件獲取傾斜攝影數據圖像。關鍵技術為圖像采集分析、航拍操作路徑與角度、拍攝時間及天氣等。

為了避免Bentley Altizure后期生成模型的不完整，航拍照片不應出現過明、過暗的情況，因此應選擇光線充足時進行航拍，黎明、黃昏、陰天均不適合收集圖像。本次飛行任務選擇航拍時間為正午12點，采集的圖像清晰無陰影，絕大部分均可用。

無人機的飛行受高度和區域的限制。在Bent-ley Altizure軟件操作中，飛機固件的限制任務最高可設置為500m，超過限度飛機將無法起飛。若執行超過120m的任務，需重新調整飛行高度限制。無人機的矩形區域的邊長不能超過2km。在此次赫哲族民建的飛行任務中，設定“大疆悟INSPIRE 1Pro”無人機的飛行高度為70m，飛行區域為800m。具體拍攝路徑如圖4所示，路徑垂直于采集地進行一次采集，傾斜于采集地進行二次采集，選取五個拍攝角度：俯拍和與豎直方向成400的四個方向來采集傾斜攝影圖像。Altizure軟件采集的流程全自動化。設定完成后，飛行器自動起飛進行數據采集，飛行途中自動拍照。在采集路線完成或者飛機電量即將耗盡的時候，飛機會自動返航降落在起飛的位置。

Bentley Altizure軟件與其他操控無人機的軟件相比，采取流程全自動化，簡單快捷，實用性強，可為無人機采集影像這一關鍵技術節省大量時間。

2.2無人機快速建模的技術研究

在圖像采集及選取完成后，選用實景建模軟件Bentley ContextCapture將航拍圖像快速生成高分辨率的三維模型。使用Bentley ContextCapture軟件的優勢在于相對于傳統建模方式省去了建模的時間以及紋理貼圖的步驟，同時ContextCapture與Altizure出自同一家公司，避免了格式不兼容的情況。

ContextCapture建模技術操作簡單，自動化生成模型，在快速建模的基礎上提供了3D網格創建和優化；高品質的紋理映射與最優的空中精度；高性能多核支持和優化使用的通用圖形處理單元；廣泛的可擴展性，保證高質量建模標準并降低硬件要求。使傳統數字漫游制作的優化升級，大大縮短建模時間。本項目的研究可以為民族建筑數字化保護提供分析案例及指導方法，便于無人機三維實景建模技術在其他領域的廣泛應用。

實景建模軟件Bentley Contextcapture操作簡單快捷，如圖4所示是Bentley Contextcapture在進行赫哲族民建數字化保護中的簡易操作流程圖，其中對圖像選取、控制點選項和位置參數的設置技術可達到優化模型與詳細記錄參數的目的。

（1）圖像選取航拍圖像自動生成高分辨率三維模型的前提是要保證照片為原始照片，在赫哲族民建飛行任務中選取300余張可用圖像，確保圖像包含所選區域的每一個角度，明暗差別較小。圖像讀取后生成詳細的現實網格。確保了高度詳細的三維模型細節細膩逼真、緣鋒利和幾何精度精確。實景建模軟件Bentley Context Capture不接收推掃式相機照片，全景式照片和經過影像文字處理的照片。利用照片可以實現多種尺度下的物體三維建模、復雜地形、雕塑、城市部建、文物、街景甚至整個城市。項目無人機拍攝要求為連續拍攝，每張照片的內容要與上一張照片的對比相同度達到700/0，保證該區域下物體的某一點在連續三張或三張以上的照片中都有，即可建模該點。

（2）控制點選項根據圖像生成模型之前，需要選擇航飛區域下的重要物體模型的控制點。在Control points界面下即可完成控制點與影像進行人工選取操作和關聯。赫哲族民建模型的控制點集合包含3個及三個以上的控制點，紅色十字點為影像刺點，直接在數字影像上選點、標記，標示出刺點位置。且每一控制點均要求具有2張及兩張以上方可生成該點。通過RTK模式進行觀測，可對像控點的三維坐標進行快捷測定。

2.3 三維實景模型優化技術

無人機傾斜攝影測量技術能夠獲取地面物體準確的三維信息，提高了三維實景建模的效率，同時也促進了對民族建筑的數字化管理。但此方法依然存在不足，對于同江市赫哲族地區少數民建保留的極其稀少，甚至倒塌殘破，并且Bentley Context Capture生成的三維模型為一個整體模型，不是獨立的個體。本項目在采集數據時，無人機傾斜攝影拍攝角度為從高空向下傾斜45。與垂直角度，此時拍攝物體低處會存在遮擋，房屋之間無法隔斷、道路之間無法劃分，因此需要人為進行模型的后期處理及修復，將已生成的赫哲族民建模型按照必要性進行優化[5]和完整性修復。使用三維實景建模Bentley ContextCapture生成的模型可直接導入3D Studio Max軟件進行優化處理，而3D Studio Max軟件的功能齊全、擴展性好、操作簡便、建模逼真，將這兩種建模方式加以融合，優勢互補，可達到快速建立赫哲族民建模型的優化及修復作用。

（1）模型優化3D MAX在實景建模的局部要優于Bentley Context Capture建模。但3dmax雖然可以更精細的建立模型的結構與特征，但建模時間長，效率低，成本高。而運用Bentley Context Capture自動建造赫哲族民建的模式，盡管建模速度快，精度高，但是自動構建的民建模型存在一定的缺陷，更容易受各種外界因素影響。因此可以使用3D MAX通過三個途徑進行模型優化：刪除多余的不可見面片、面的修改以及建模時根據模型實際大小創建。建模時可以通過控制數據如：平鋪的UVW值、擠出模型的數值、位數等，提高建模時計算機的運行效率。

（2）貼圖優化紋理貼圖包括頂部紋理貼圖和側面紋理貼圖，在本項目的研究中對于赫哲族民建的粗細建模區域，使用Bentley Context Capture對建模區域進行紋理自動生成。對于民建的精細建模區域，側面紋理采用相機對建模區域進行人工拍攝，并利用photoshop對影像進行處理，使影像保證色彩、分辨率、曝光度、清晰度勻稱，再導入3dmax進行人工批量貼圖。

（3）精細度優化使用3D MAX進行赫哲族民建模型場景的優化時，模型的精細度不宜過高，否則系統后臺服務器會運行緩慢。所以在建模時要充分把握模型的精細度。

3 赫哲族民建的地形漫游交互

Unity3D虛擬漫游利用三維實景建模軟件Bent-ley Context Capture與軟件3D Studio Max兩種建模方式相互融合后的技術，可快速生成并優化復雜地形場景模型，直接導入Unity3D，實現三維虛擬場景與復雜地形規劃設計場景的交互，并且可以直接使用網頁瀏覽，開發效率高，運行穩定，最大化實現模型的可視性[6]并以數字化的形式保存。

首先，獲取目的地形的相關地理信息，包括數字高程數據，建筑物及其周圍地形地貌環境，包括山、水、花、草的矢量數據和地理坐標。接下來，將生成的模型導人Unity3D平臺虛擬漫游系統，添加燈光效果，構建三維場景，音頻，物理碰撞等，赫哲族建筑數字化漫游如圖5。

最后，場景構建完畢，還需人為添加系統交互，進行系統交互設計，內容包括角色漫游行走的交互和界面場景的交互，完成后需要進行性能測試，最終生成文件格式，可直接用網頁瀏覽，建立地形地貌數據庫的技術核心。

4 結語

論文從運用Altizure操作無人機拍攝圖像、應用Bentley Context Capture快速建立模型及3d max對模型的后期處理使模型更加精細，再使用Unity3D建立數字化漫游幾個方面，完整的論述了將無人機快速建模技術應用于民族建筑數字化保護中有很好的作用，不僅為無人機快速建模技術開辟了新的使用空間，還優化了傳統建模方式，真正達到了保護少數民族建筑的目的。

參考文獻：

[1]朱慶，徐冠宇，杜志強，等.傾斜攝影測量技術綜述[EB/OL].

[2]張東霞.近景攝影測量和三維渲染技術在建筑物精細建模中的應用[D].泰安：山東農業大學，2015.

[3]張月琴.航空攝影測量技術的應用[J].中國新技術新產品，2014，（01）：17 - 18.

[4]李祎峰，宮晉平，楊新海，等.機載傾斜攝影數據在三維建模及單斜片測量中的應用[J].遙感信息，2013，（03）：102 -106.

[5]朱惠娟，基于Unity3D的虛擬漫游系統[J].計算機系統應用，2012，21（10）：36 - 39.

[6]王星捷，基于Unity3D平臺的三維虛擬城市研究與應用[J].計算機技術與發展，2013，（04）：241 - 244.