本文利用無(wú)人機(jī)五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)配合完成了安徽省 13 個(gè)傳統(tǒng)村落的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合Context Capture Center處理終端，生成了.osgb格式的三維實(shí)景模型，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布，并最終嵌入到中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁(yè)中。

本文采用的技術(shù)方案適用于村落范圍的模型構(gòu)建，能夠自動(dòng)生產(chǎn)出空間分辨率高、拓?fù)潢P(guān)系良好、細(xì)節(jié)表現(xiàn)豐富的實(shí)景模型，對(duì)于中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的建設(shè)以及傳統(tǒng)村落的小環(huán)境改造都能起到積極作用。

內(nèi)容圍繞以下四點(diǎn)展開(kāi)：測(cè)區(qū)概述、數(shù)據(jù)采集方案、數(shù)據(jù)處理方案、應(yīng)用價(jià)值。全文3345字，預(yù)計(jì)閱讀時(shí)間9分鐘。

目前，傳統(tǒng)村落范疇內(nèi)的實(shí)景模型研究還較少，原因主要有以下 4點(diǎn)：

• 數(shù)據(jù)采集有難度。村落內(nèi)的道路網(wǎng)緊密且狹窄，傾斜攝影系統(tǒng)很難捕捉到建筑物的側(cè)面紋理信息，加上植被的覆蓋，增加了實(shí)景模型的重建難度
• 影響飛行安全因素多。傳統(tǒng)村落的選址一般都依山傍水，天氣與自然環(huán)境條件較為復(fù)雜，風(fēng)切變和氣壓變化都會(huì)對(duì)飛行器的起降點(diǎn)、飛行高度以及航線(xiàn)造成影響；
• 技術(shù)規(guī)范不明確。三維實(shí)景模型的數(shù)據(jù)采集沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范；
• 交通可達(dá)性較差。許多傳統(tǒng)村落坐落于偏遠(yuǎn)山區(qū)，車(chē)輛難以抵達(dá)，常常需要人力攜帶整套作業(yè)設(shè)備徒步前往。

基于此，本文以安徽省黃山市13個(gè)傳統(tǒng)村落為研究區(qū)，驗(yàn)證無(wú)人機(jī)三維實(shí)景快速建模技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館建設(shè)的可行性。

試驗(yàn)區(qū)概述

本文以安徽省黃山市13個(gè)傳統(tǒng)村落為研究區(qū)，既有入選世界文化遺產(chǎn)的西遞村和宏村，也有一些如瀹坑村和汪村等不廣為人知的村落。它們都是徽派建筑和徽州文化的突出代表，雖然在建筑手法和村落選址方面有許多相似之處，但是根據(jù)所處地理環(huán)境的不同，各村落之間也存在一些差異，這些差異主要表現(xiàn)在村落面積大小、地勢(shì)起伏程度、村落整體形態(tài)、地物組成要素、建筑密集程度等5個(gè)方面，都在不同程度上影響實(shí)景模型前期的數(shù)據(jù)采集以及后期的數(shù)據(jù)處理。例如：

①瀹坑村和汪村兩村被夾持在兩條相鄰的山脊之中，臨近山腳處被高聳的樹(shù)林植被所覆蓋；

②尚村由于處在梯田之中，村落地勢(shì)高差較大；

③漁梁村臨近漁梁水庫(kù)壩，水域面積相對(duì)其他村落較大；

所以：全面了解村落情況，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案是獲取三維實(shí)景模型的前提

技術(shù)路線(xiàn)

▲圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

1 數(shù)據(jù)采集

1 作業(yè)準(zhǔn)備

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前首先對(duì)整個(gè)村落完成現(xiàn)場(chǎng)踏勘和各種準(zhǔn)備，包括起飛點(diǎn)的選擇和空域申請(qǐng)，以及村落范圍、村落形態(tài)、建筑密度、天氣條件、安全飛行高度等因素及設(shè)備參數(shù)的確定。采集系統(tǒng)采用的是六旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭。

2 航線(xiàn)規(guī)劃

航線(xiàn)規(guī)劃無(wú)論是對(duì)于前期的數(shù)據(jù)采集還是后期的數(shù)據(jù)處理都有很大的影響，可以說(shuō)是三維實(shí)景建模的重中之重。高質(zhì)量的航線(xiàn)規(guī)劃不但可以節(jié)省外業(yè)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，而且還可以提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的效率。村落的邊界一般為不規(guī)則多邊形，在確定航線(xiàn)角度的時(shí)候應(yīng)當(dāng)保證整個(gè)村落都應(yīng)該覆蓋到，避免漏測(cè)情況的出現(xiàn)，另外，航線(xiàn)的角度盡量和當(dāng)時(shí)的風(fēng)向相同。

▲圖 2 漁梁村部分航線(xiàn)規(guī)劃

3 任務(wù)實(shí)施

將航線(xiàn)規(guī)劃的參數(shù)輸入到地面站中，再通過(guò)地面站將飛行任務(wù)上傳到飛行器的飛控端。飛行器啟動(dòng)后會(huì)按照之前設(shè)定好的飛行路線(xiàn)進(jìn)行自主飛行，任務(wù)完成后飛行器會(huì)自動(dòng)返航。飛行器的自主飛行階段一般不需要人工干預(yù)即可完成。經(jīng)過(guò)對(duì)13個(gè)村子的多次飛行發(fā)現(xiàn)，有多個(gè)因素會(huì)直接影響飛行器的飛行安全：

• 距離因素。飛行器起飛點(diǎn)的選擇應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近設(shè)定航線(xiàn)的起始點(diǎn)，保證在視距范圍內(nèi)（小于500m）。
• 天氣因素。本次工作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為 2月，正值雨季，山區(qū)的天氣變化無(wú)常。在下雨之前會(huì)有積雨云迅速匯聚，并伴有大風(fēng)。此時(shí)，氣壓降低，空氣密度減小，飛行高度會(huì)有所降低。因此隨時(shí)都會(huì)注意風(fēng)力的變化情況，由于本次所用飛行器的抗風(fēng)等級(jí)為7級(jí)，當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)就會(huì)中止飛行任務(wù)并降落。待天氣轉(zhuǎn)晴后利用斷點(diǎn)續(xù)飛功能再完成剩余的航線(xiàn)。
• 飛行監(jiān)視。飛行器在作業(yè)時(shí)，操作人員始終位于高地開(kāi)闊處，避開(kāi)地面站與飛行器之間的障礙物，保證了二者之間通訊正常；并全程監(jiān)視飛行器的飛行參數(shù)，確保飛行安全。

2 質(zhì)量控制

質(zhì)量控制主要是檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，判斷是否可以保證數(shù)據(jù)處理的完成。主要包括4個(gè)方面：

• 丟片檢查。對(duì)比觸發(fā)曝光數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的照片數(shù)是否相同。
• 定位數(shù)據(jù)檢查。檢查每個(gè)曝光點(diǎn)的定位是否正確，全程衛(wèi)星信號(hào)是否正常。
• 照片清晰度檢查。檢查照片是否有模糊情況出現(xiàn)。
• 照片重疊度檢查。實(shí)際飛行中減產(chǎn)照片的航向與旁向重疊率是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

3 數(shù)據(jù)處理

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是制作Context Capture軟件可以識(shí)別的BLOCK文件。BLOCK文件中包含照片的位置信息+存儲(chǔ)路徑以及相機(jī)的詳細(xì)參數(shù)等。首先，批量錄入每張照片的組號(hào)、文件名、存儲(chǔ)路徑等信息；然后，導(dǎo)入傾斜攝影系統(tǒng)內(nèi)部的GPS文件，該文件包含每張照片的經(jīng)緯度和相對(duì)高程信息；最后，錄入相機(jī)的CMOS 尺寸、焦距、照片像素值以及檢校信息，正常保存后用于下一步的空三解算。

2 空三解算

空三解算通過(guò)提取每張照片的特征點(diǎn)，進(jìn)行特征點(diǎn)匹配形成照片之間的連接點(diǎn)，最終通過(guò)聯(lián)合約束平差獲取每張照片拍攝時(shí)的姿態(tài)角，獲得點(diǎn)云。

▲表 1 龍川村空三解算結(jié)果報(bào)告

龍川村共采集影像13450 張，其中有效影像為13316張。從表2可以看出，空三計(jì)算之后，獲得到的連接點(diǎn)數(shù)為220409個(gè)，反投影中誤差為0.61像素，反投影標(biāo)準(zhǔn)差為0.79像素，地面點(diǎn)到攝站點(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)差為0.0221m，結(jié)果良好。

3 重建模型

重建模型是對(duì)空三解算獲取到的點(diǎn)云進(jìn)行加密構(gòu)建三角網(wǎng)，并將紋理準(zhǔn)確映射在其上的過(guò)程，包括坐標(biāo)設(shè)定、重建范圍、瓦片分割、三維重建和成果輸出幾個(gè)步驟。圖 3（a）-（c）為龍川村在Context Capture中重建模型的流程，分別是空三解算、重建模型以及模型成果。模型重建時(shí)，空間參考坐標(biāo)系選擇為站心坐標(biāo)系。重建范圍為之前在Google Earth上設(shè)定好的.kml文件，將其導(dǎo)入至該菜單下即可使用；瓦片的分割方式為均分，每個(gè)瓦片大小為 100m，共計(jì) 71個(gè)瓦片。

▲圖 3重建模型流程（龍川村）

4 數(shù)據(jù)發(fā)布與共享

將生產(chǎn)出來(lái)的實(shí)景模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后上傳到了三維實(shí)景模型云平臺(tái)，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布。模型數(shù)據(jù)包含2個(gè)部分：.osgb格式的模型數(shù)據(jù)文件和地理坐標(biāo)信息(metadata)數(shù)據(jù)。將模型上傳到云平臺(tái)后，可以通過(guò)掃描二維碼或鏈接的方式實(shí)現(xiàn)與公眾的共享，還可以通過(guò)調(diào)用模型窗口代碼將模型窗口嵌入到中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁(yè)之中，以三維的視角讓公眾更直觀地了解傳統(tǒng)村落的建筑風(fēng)貌以及村落形態(tài)。

圖 4為中國(guó)傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館唐模村中三維實(shí)景模型的窗口，村落模型中加入了多個(gè)熱點(diǎn)標(biāo)注，標(biāo)注有文字、圖片、視頻、全景影像等多種形式。瀏覽者除了能利用常規(guī)方式來(lái)了解該村落之外，還可以通過(guò)三維實(shí)景模型來(lái)全方位地了解該村落的歷史建筑以及村落格局。另外規(guī)劃設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)模型完成村落某些建筑或地塊的實(shí)際尺寸量測(cè)，讓設(shè)計(jì)人員能夠更直觀地把握空間尺度，完成與該尺度匹配的環(huán)境改造方案，起到輔助設(shè)計(jì)的作用。

▲圖4 唐模村數(shù)字博物館三維實(shí)景模型窗口

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