本文利用無人機五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)配合完成了安徽省 13 個傳統(tǒng)村落的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合Context Capture Center處理終端，生成了.osgb格式的三維實景模型，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布，并最終嵌入到中國傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁中。

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)豐富的實景模型，對于中國傳統(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)容圍繞以下四點展開：測區(qū)概述、數(shù)據(jù)采集方案、數(shù)據(jù)處理方案、應(yīng)用價值。全文3345字，預(yù)計閱讀時間9分鐘。

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

• 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對飛行器的起降點、飛行高度以及航線造成影響；
• 技術(shù)規(guī)范不明確。三維實景模型的數(shù)據(jù)采集沒有相關(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個傳統(tǒng)村落為研究區(qū)，驗證無人機三維實景快速建模技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館建設(shè)的可行性。

試驗區(qū)概述

本文以安徽省黃山市13個傳統(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個方面，都在不同程度上影響實景模型前期的數(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林植被所覆蓋；

②尚村由于處在梯田之中，村落地勢高差較大；

③漁梁村臨近漁梁水庫壩，水域面積相對其他村落較大；

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景模型的前提

技術(shù)路線

▲圖1 技術(shù)路線圖

1 數(shù)據(jù)采集

1 作業(yè)準(zhǔn)備

在進行數(shù)據(jù)采集前首先對整個村落完成現(xiàn)場踏勘和各種準(zhǔn)備，包括起飛點的選擇和空域申請，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)采用的是六旋翼無人機搭載五鏡頭。

2 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃無論是對于前期的數(shù)據(jù)采集還是后期的數(shù)據(jù)處理都有很大的影響，可以說是三維實景建模的重中之重。高質(zhì)量的航線規(guī)劃不但可以節(jié)省外業(yè)采集數(shù)據(jù)的時間，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，在確定航線角度的時候應(yīng)當(dāng)保證整個村落都應(yīng)該覆蓋到，避免漏測情況的出現(xiàn)，另外，航線的角度盡量和當(dāng)時的風(fēng)向相同。

▲圖 2 漁梁村部分航線規(guī)劃

3 任務(wù)實施

將航線規(guī)劃的參數(shù)輸入到地面站中，再通過地面站將飛行任務(wù)上傳到飛行器的飛控端。飛行器啟動后會按照之前設(shè)定好的飛行路線進行自主飛行，任務(wù)完成后飛行器會自動返航。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)過對13個村子的多次飛行發(fā)現(xiàn)，有多個因素會直接影響飛行器的飛行安全：

• 距離因素。飛行器起飛點的選擇應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近設(shè)定航線的起始點，保證在視距范圍內(nèi)（小于500m）。
• 天氣因素。本次工作進行數(shù)據(jù)采集的時間為 2月，正值雨季，山區(qū)的天氣變化無常。在下雨之前會有積雨云迅速匯聚，并伴有大風(fēng)。此時，氣壓降低，空氣密度減小，飛行高度會有所降低。因此隨時都會注意風(fēng)力的變化情況，由于本次所用飛行器的抗風(fēng)等級為7級，當(dāng)遇到惡劣天氣時就會中止飛行任務(wù)并降落。待天氣轉(zhuǎn)晴后利用斷點續(xù)飛功能再完成剩余的航線。
• 飛行監(jiān)視。飛行器在作業(yè)時，操作人員始終位于高地開闊處，避開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個方面：

• 丟片檢查。對比觸發(fā)曝光數(shù)與數(shù)據(jù)存儲中的照片數(shù)是否相同。
• 定位數(shù)據(jù)檢查。檢查每個曝光點的定位是否正確，全程衛(wèi)星信號是否正常。
• 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軟件可以識別的BLOCK文件。BLOCK文件中包含照片的位置信息+存儲路徑以及相機的詳細(xì)參數(shù)等。首先，批量錄入每張照片的組號、文件名、存儲路徑等信息；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)緯度和相對高程信息；最后，錄入相機的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

空三解算通過提取每張照片的特征點，進行特征點匹配形成照片之間的連接點，最終通過聯(lián)合約束平差獲取每張照片拍攝時的姿態(tài)角，獲得點云。

▲表 1 龍川村空三解算結(jié)果報告

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，空三計算之后，獲得到的連接點數(shù)為220409個，反投影中誤差為0.61像素，反投影標(biāo)準(zhǔn)差為0.79像素，地面點到攝站點距離標(biāo)準(zhǔn)差為0.0221m，結(jié)果良好。

3 重建模型

重建模型是對空三解算獲取到的點云進行加密構(gòu)建三角網(wǎng)，并將紋理準(zhǔn)確映射在其上的過程，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，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，每個瓦片大小為 100m，共計 71個瓦片。

▲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)出來的實景模型數(shù)據(jù)進行壓縮后上傳到了三維實景模型云平臺，完成了模型數(shù)據(jù)的發(fā)布。模型數(shù)據(jù)包含2個部分：.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后，可以通過掃描二維碼或鏈接的方式實現(xiàn)與公眾的共享，還可以通過調(diào)用模型窗口代碼將模型窗口嵌入到中國傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館的網(wǎng)頁之中，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為中國傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館唐模村中三維實景模型的窗口，村落模型中加入了多個熱點標(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)方式來了解該村落之外，還可以通過三維實景模型來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)計人員還可以通過模型完成村落某些建筑或地塊的實際尺寸量測，讓設(shè)計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)計的作用。

▲圖4 唐模村數(shù)字博物館三維實景模型窗口

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