UAV 傾斜攝影在革命舊址保護中的應用

郭天偉，董坤烽，楊 敏，楊永明，李筱懿

（1. 滇西應用技術大學地球科學與工程學院，云南 大理 671006；2. 滇西應用技術大學云南省高校山地實景點云數據處理及應用重點實驗室，云南 大理 671006；3. 滇西應用技術大學多源數據融合實景三維構建研究科技創新團隊，云南 大理 671006；4. 云南建投第一勘察設計有限公司，云南 昆明 650031；5. 大理州設計院有限公司，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黨領導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、加強愛國主義教育、培育社會主義核心價值觀等方面發揮了不可缺少的作用[2]。在外來文化輸入嚴峻的情況下，需要對各個地方的革命舊址進行保護和發掘，形成紅色教育基地和一部部活歷史資源，進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、藝術價值、科學價值，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當中，保護與利用這些革命舊址不僅可以發揚和繼承紅色文化，而且可以完善村鎮基礎設施建設，促進村鎮經濟發展，盡快完成鄉村振興[3]。隨著時代的發展，我國城鎮化率正在不斷提高，一方面為追求經濟快速發展，對革命舊址進行了拆除，另一方面由于一些公眾、學者對革命舊址概念的模糊化，導致革命舊址沒有得到充分保護，甚至遭到遺棄，這些都說明了革命舊址保護工作已迫在眉睫，必須得到解決才能將紅色文化深刻保留[4]。革命舊址保護通常先去現場調研，再對舊址區域進行測繪，因此測繪在革命舊址保護中具有重要作用，所獲得的精確數據是不可缺少的。在對革命舊址的保護中，因其大多數處于村鎮，建筑很密集、錯綜復雜，且大多為土房、年代已久，利用傳統測繪技術手段費時費力，得到的部分數據精度較低，進而影響后續的數字圖像表現、虛擬現實等工作的開展。隨著科技的發展，測繪技術也在不斷前進，新興的UAV傾斜攝影測量技術在建筑測繪領域得到了廣泛應用[5-6]，尤其是在大比例尺地形圖測繪、植被監測、礦山測量、應急測繪和城市勘測等方面發揮了非常重要的作用[7-9]。該技術的優勢在于高效、便捷，可用最短時間獲取大比例尺數字地形圖，減少外業工作；可無接觸地獲取建筑物密集區數據，大大提高工作效率；可得到三維立體場景數據，在革命舊址保護中進行多方面多視角地運用，進而高效、精確地完成革命舊址保護工作；還可用于規劃革命舊址以及宣傳、導游。

本文以云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣柯渡鎮丹桂村紅軍長征舊址為研究對象，通過多旋翼UAV搭載5 鏡頭相機一次性獲取5 組影像，然后利用運動恢復結構（SfM）[10]和多視角立體視覺（MVS）算法[11]構建三維立體場景和數字高程模型（DEM）；再將得到的數據通過目視解譯、CASS 3D 軟件二維數據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在革命舊址保護中的調查和特征精度。

1 關鍵技術方法

傾斜攝影測量系統主要包括搭載平臺、傳感器和數據處理系統[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，可同步記錄相機拍攝時的POS 位置信息和飛行姿態等信息，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；傳感器主要為5 鏡頭一體化相機，選用高分辨率鏡頭，其中4 個鏡頭為側方向，一個鏡頭為垂直方向，可快速一次性獲取同一地區的多方位影像；數據處理系統本文采用Smart 3D Capture 軟件，主要利用SIFT 算法[14]對影像特征點進行提取，再進行匹配，且軟件集成了SfM-MVS 算法[15-16]，可連續完成構建稀疏點云、構建稠密點云、格網構建和紋理映射等任務，從而構建三維立體場景、DEM、密集點云數據等。

2 項目應用

2.1 研究區概況

本文選取云南省昆明市尋甸回族彝族自治縣柯渡鎮丹桂村作為研究區，該村是紅軍長征總部舊地駐址，建有紅軍長征柯渡紀念館，1992年4月被定為云南省近、現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典景區之一，因此需加強對該革命舊址的保護[17]。村內建筑主要由一幢一進兩院的四合院落和閣樓組成，房屋較密集、錯綜復雜，測區總面積為0.059 km2，地勢東高西低，呈一面坡形勢，最大高差約為50 m。利用傳統測繪手段很難完成精確測量，但利用傾斜攝影測量技術可采集測區高精度數據，形成三維模型和DEM數據，有利于后續對革命舊址的保護、修繕以及對外三維場景瀏覽。

2.2 技術路線

傾斜攝影測量技術流程主要包括外業數據采集和內業數據處理兩個環節，技術路線見圖1。首先通過外業獲取數據并進行預處理，通過數據質量檢查確保數據質量，對數據添加像控點以保證獲得正確的坐標系，并進行影像密集匹配、構建點云和點云加密；再對數據進行三維格網構建，完成紋理映射；最終建立三維場景數據。

圖1 傾斜攝影測量技術流程圖

2.3 數據采集

本文采用大疆經緯M300 RTK 多旋翼UAV 搭載SHARE 102S 五鏡頭相機進行數據采集，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。通過測區踏勘規劃航線，設置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。地面像控點數量及其布設位置對后期數據區域網加密的準確性影像很大[18]。像控點可在內業數據處理中最大限度地改正因航攝姿態不穩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，本文采用沿測區邊界和測區內部均勻布設的方法，利用千尋SR3網絡RTK接收機接入千尋CORS網絡，選用CGCS2000國家大地坐標系和1985國家高程基準采集像控點。像控點布設和UAV飛行航線見圖2。

圖2 像控點布設和UAV飛行航線布設

2.4 三維數據生成

首先對外業獲得的數據進行檢查和預處理，然后采用集成了SfM-MVS 算法的Smart3D Capture 軟件對采集數據構建三維立體場景，將像控點坐標進行導入刺點，從而形成了最終的三維立體場景（圖3）和DEM數據（圖4）。

圖3 三維立體場景

圖4 DEM

2.5 數據分析與精度檢驗

通過三維立體場景可對該革命舊址進行三維瀏覽，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據，對后續的房屋修繕或規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，甚至當時樹的陰影都可直觀清晰地反映出來，與現場拍攝的照片非常接近，綜上所述，三維立體場景數據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（圖7）與外業實測點位坐標進行對比[19]。本次測區共布設了12個檢查點，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坐標，再與RTK 實測坐標進行比較，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 檢查點分布圖

式中，M為中誤差；Δi為坐標差值；n為各坐標差值數量。

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，均可滿足1∶500大比例尺數字地形圖成圖規范要求，可利用CASS 3D軟件對三維立體場景進行數據采集，獲得二維矢量1∶500大比例尺數字地形圖，為今后的革命舊址保護工作提供精確數據。

2.5.2 立體場景線元素精度分析

為進一步驗證三維立體場景數據精度，本文以點位為基礎，通過Acute3D Viewer 軟件的測量工具量取立體場景中地物的線元素，然后與實測值進行比較，進而評估數據精度。采用平均精度作為三維立體場景的精度評價指標，計算公式為：

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

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

表2 線元素檢測結果對比表

圖8 線元素檢測對象

3 結 語

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

1）利用UAV 傾斜攝影測量技術可快速、安全地獲得外業數據，尤其是對于房屋密度較大的革命舊址，采集效率較高，極大地節省了人力物力，且獲得的數據類型較多，可利用多種數據在舊址保護中發揮作用，尤其是形成三維立體場景的基礎數據（三維點云數據），可直觀反映測區的真實狀況，便于制定出更加合理、科學的革命舊址保護和修復方案。

2）通過CASS 3D 軟件對構建的三維立體場景進行平面和高程點位精度質量評估，最終結果符合1∶500大比例尺數字地形圖成圖規范要求，可為革命舊址保護提供更加精確的二維矢量化數據。對三維立體場景中的線元素進行質量檢測發現，模型精度可達厘米級，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，為其提供精確的基礎三維數據。

3）三維數據還可作為革命舊址中的三維場景游覽數據，紋理清晰，為前來參觀學習者提供前瞻瀏覽功能。在數據后續利用中，還可對建筑模型進行單體化建模，便于為今后的革命舊址修復工作提供精確的立體數據，更好地為革命舊址保護工作提供決策性數據支撐。