無人機(jī)傾斜攝影在村落數(shù)字化保護(hù)中的探索

付 曉,李艷濤,王遠(yuǎn)航,鄭 巖

（北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院城市科學(xué)系，北京 100191）

0 引言

作為傳統(tǒng)文化的重要物質(zhì)載體, 村落往往具有相當(dāng)深厚的文化底蘊(yùn)，許多建筑都反映了當(dāng)?shù)氐拿耧L(fēng)民俗、社會情況、經(jīng)濟(jì)水平以及人地關(guān)系等信息，具有很高的藝術(shù)和旅游開發(fā)價(jià)值。2017年十九大提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，作為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳統(tǒng)村落受到了各界的普遍關(guān)注，但許多傳統(tǒng)村落在進(jìn)行旅游開發(fā)過程中都面臨著建筑破壞的問題。近年來，消費(fèi)級無人機(jī)迅速走進(jìn)大眾視野，因成本低廉、操作簡單、行動(dòng)便捷而受到人們青睞。同期，傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得無人機(jī)遙感為文物保護(hù)、城鄉(xiāng)管理等領(lǐng)域提供了新的研究方法和思路，無人機(jī)遙感在城鄉(xiāng)管理和城市建模中發(fā)揮了重要作用并得到廣泛應(yīng)用。薄正權(quán)等、劉梅姜、胡文慶等、向云飛等對傾斜攝影在城鄉(xiāng)三維模型的構(gòu)建及如何在城鄉(xiāng)管理方面利用三維模型進(jìn)行探討；李能國、李博等、曾健等分別研究了傾斜攝影在管線管理、應(yīng)急救災(zāi)、地形信息等方面的應(yīng)用；許翰彬研究了傾斜攝影測量在高中低空測量的適用裝置；申艷探討了大飛機(jī)相控點(diǎn)布設(shè)問題；賈玉林利用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行1：500不動(dòng)產(chǎn)測繪且精度保持在±15 cm；這些研究說明無人機(jī)可以替代人力進(jìn)行建筑測繪，生成建筑的數(shù)字化信息，無人機(jī)遙感展現(xiàn)了其在村落保護(hù)和監(jiān)測領(lǐng)域的巨大潛力。

本文基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立村落的三維模型，擬探討利用消費(fèi)者級無人機(jī)進(jìn)行傳統(tǒng)村落地形提取和三維建模的步驟與方法，為傳統(tǒng)村落的保護(hù)提供新的技術(shù)支撐，為日后村落建筑的修繕工作提供參考．

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于北京市懷柔區(qū)九渡河鎮(zhèn)西水峪村，地理坐標(biāo)為40°24'N，116°19’E，村落面積約0.7 km2。村落三面環(huán)山，處于地勢低洼地帶，地勢起伏較大；村落西北側(cè)是黃花城風(fēng)景區(qū)，東側(cè)大部分地區(qū)為荒地，地形復(fù)雜，高差變化較大。根據(jù)史料記載，該村落是修建明長城時(shí)形成的一個(gè)自然村落，緊鄰山、水、古長城，具有較高的研究價(jià)值。

2 研究方法

2.1無人機(jī)的選擇

由于研究區(qū)域規(guī)模較小，測量范圍屬于小區(qū)域(<1km2)，因此綜合考慮研究區(qū)規(guī)模、地形等因素，選用敏捷、機(jī)動(dòng)性良好的多旋翼無人機(jī)（大疆精靈3pro）。

2.2航線規(guī)劃與數(shù)據(jù)獲取

圖1 研究區(qū)域與航線規(guī)劃

2.3數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)采集，獲得研究區(qū)域影像368張。由于云臺相機(jī)在拍攝時(shí)照片已經(jīng)嵌入pos數(shù)據(jù)，因此不再需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲取傾斜影像后可直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。為避免空三解算失敗的問題，處理過程結(jié)合使用了Photoscan和ContextCapture兩款軟件。利用Photoscan良好的空三解算能力提交空三解算，而后將空三結(jié)果導(dǎo)入ContextCapture進(jìn)行處理。由于內(nèi)存的限制，使用自適應(yīng)切塊的方式，將目標(biāo)區(qū)域劃分成39個(gè)區(qū)塊瓦片，經(jīng)過空三加密、生成網(wǎng)格和紋理映射等過程，生產(chǎn)出數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字表面模型(DSM）以及三維模型等結(jié)果。

2.3.1空三加密

photoscan使用稀疏光束法進(jìn)行區(qū)域平差空中三角測量，其基本原理是共線方程。空三計(jì)算完成后共計(jì)提取132 842個(gè)自動(dòng)連接點(diǎn)，地面分辨率0.046～0.11 m，符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 三維點(diǎn)云

2.3.2密集匹配生成DSM

使用多視影像密集匹配技術(shù)，生成三維密集點(diǎn)云，其原理是利用影像間的相對位置關(guān)系，尋找重疊區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素同名點(diǎn)的稠密影像進(jìn)行匹配，是從二維影像到三維模型的重要方法。基于三維密集點(diǎn)云可以生成數(shù)字表面模型(DSM)，將高分辨率的點(diǎn)云映射到DSM上可以形成數(shù)字正射影像(DOM)。

2.3.3生成網(wǎng)格和紋理映射

基于密集點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型，不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型是指根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相等的三角面網(wǎng)絡(luò)；因?yàn)槠溆懈叱虒傩裕虼丝梢杂脕肀碚鞯匦翁卣鳌Ｍㄟ^對數(shù)字影像的處理，將貼圖映射到網(wǎng)格模型上，三維模型就是在網(wǎng)格模型上貼圖實(shí)現(xiàn)的。

2.3.4數(shù)據(jù)生產(chǎn)

經(jīng)過內(nèi)外業(yè)處理，最終生成正射影像、數(shù)字地表模型及三維實(shí)景模型。

通過三維密集點(diǎn)云生成正射影像和數(shù)字表面模型DSM。以DSM為基礎(chǔ)，可制作目標(biāo)地區(qū)大比例尺地形圖。生成的DSM高程范圍為240～402 m，地形顯示層次分明。

圖3 正射影像（左）和DSM（右）

生成地區(qū)三維模型，可以通過EPS等測圖軟件進(jìn)行三維繪圖，將建筑的部分信息以數(shù)字化的形式保存下來，為日后可能的修復(fù)修繕工作提供參考。

圖4 三維實(shí)景模型產(chǎn)品

3 結(jié)論

利用無人機(jī)傾斜攝影，經(jīng)過內(nèi)外業(yè)處理，可以得到研究區(qū)范圍內(nèi)8.6 cm分辨率的正射影像和DSM，滿足大比例尺地形圖測繪要求。無人機(jī)傾斜攝影作業(yè)成本低，出圖成效快，成圖精度高，并能克服山區(qū)地形對傳統(tǒng)地面測繪帶來的不利影響，為村落數(shù)字化保護(hù)提供了新理念和新思路。三維實(shí)景模型具有真實(shí)的三維坐標(biāo)，可360度縮放查看，能拆分為單體建筑進(jìn)行分析，而且可以嵌入地理信息系統(tǒng)，結(jié)合地理環(huán)境進(jìn)行坡度、坡向、通視性、可達(dá)性等綜合分析，為鄉(xiāng)村規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與規(guī)劃決策支持。