无人机倾斜摄影在村落数字化保护中的探索

付 晓,李艳涛,王远航,郑 岩

（北京联合大学应用文理学院城市科学系，北京 100191）

0 引言

作为传统文化的重要物质载体, 村落往往具有相当深厚的文化底蕴，许多建筑都反映了当地的民风民俗、社会情况、经济水平以及人地关系等信息，具有很高的艺术和旅游开发价值。2017年十九大提出了乡村振兴战略，作为非物质文化遗产的传统村落受到了各界的普遍关注，但许多传统村落在进行旅游开发过程中都面临着建筑破坏的问题。近年来，消费级无人机迅速走进大众视野，因成本低廉、操作简单、行动便捷而受到人们青睐。同期，倾斜摄影技术的发展和应用使得无人机遥感为文物保护、城乡管理等领域提供了新的研究方法和思路，无人机遥感在城乡管理和城市建模中发挥了重要作用并得到广泛应用。薄正权等、刘梅姜、胡文庆等、向云飞等对倾斜摄影在城乡三维模型的构建及如何在城乡管理方面利用三维模型进行探讨；李能国、李博等、曾健等分别研究了倾斜摄影在管线管理、应急救灾、地形信息等方面的应用；许翰彬研究了倾斜摄影测量在高中低空测量的适用装置；申艳探讨了大飞机相控点布设问题；贾玉林利用无人机倾斜摄影进行1：500不动产测绘且精度保持在±15 cm；这些研究说明无人机可以替代人力进行建筑测绘，生成建筑的数字化信息，无人机遥感展现了其在村落保护和监测领域的巨大潜力。

本文基于无人机倾斜摄影技术建立村落的三维模型，拟探讨利用消费者级无人机进行传统村落地形提取和三维建模的步骤与方法，为传统村落的保护提供新的技术支撑，为日后村落建筑的修缮工作提供参考．

1 研究区概况

研究区域位于北京市怀柔区九渡河镇西水峪村，地理坐标为40°24'N，116°19’E，村落面积约0.7 km2。村落三面环山，处于地势低洼地带，地势起伏较大；村落西北侧是黄花城风景区，东侧大部分地区为荒地，地形复杂，高差变化较大。根据史料记载，该村落是修建明长城时形成的一个自然村落，紧邻山、水、古长城，具有较高的研究价值。

2 研究方法

2.1无人机的选择

由于研究区域规模较小，测量范围属于小区域(<1km2)，因此综合考虑研究区规模、地形等因素，选用敏捷、机动性良好的多旋翼无人机（大疆精灵3pro）。

2.2航线规划与数据获取

图1 研究区域与航线规划

2.3数据采集与数据处理

通过数据采集，获得研究区域影像368张。由于云台相机在拍摄时照片已经嵌入pos数据，因此不再需要对数据进行预处理，获取倾斜影像后可直接对数据进行内业处理。为避免空三解算失败的问题，处理过程结合使用了Photoscan和ContextCapture两款软件。利用Photoscan良好的空三解算能力提交空三解算，而后将空三结果导入ContextCapture进行处理。由于内存的限制，使用自适应切块的方式，将目标区域划分成39个区块瓦片，经过空三加密、生成网格和纹理映射等过程，生产出数字正射影像(DOM)、数字表面模型(DSM）以及三维模型等结果。

2.3.1空三加密

photoscan使用稀疏光束法进行区域平差空中三角测量，其基本原理是共线方程。空三计算完成后共计提取132 842个自动连接点，地面分辨率0.046～0.11 m，符合标准。

图2 三维点云

2.3.2密集匹配生成DSM

使用多视影像密集匹配技术，生成三维密集点云，其原理是利用影像间的相对位置关系，寻找重叠区域内每个像素同名点的稠密影像进行匹配，是从二维影像到三维模型的重要方法。基于三维密集点云可以生成数字表面模型(DSM)，将高分辨率的点云映射到DSM上可以形成数字正射影像(DOM)。

2.3.3生成网格和纹理映射

基于密集点云构建不规则三角网(TIN)模型，不规则三角网(TIN)模型是指根据区域内有限个点集将区域划分为相等的三角面网络；因为其有高程属性，因此可以用来表征地形特征。通过对数字影像的处理，将贴图映射到网格模型上，三维模型就是在网格模型上贴图实现的。

2.3.4数据生产

经过内外业处理，最终生成正射影像、数字地表模型及三维实景模型。

通过三维密集点云生成正射影像和数字表面模型DSM。以DSM为基础，可制作目标地区大比例尺地形图。生成的DSM高程范围为240～402 m，地形显示层次分明。

图3 正射影像（左）和DSM（右）

生成地区三维模型，可以通过EPS等测图软件进行三维绘图，将建筑的部分信息以数字化的形式保存下来，为日后可能的修复修缮工作提供参考。

图4 三维实景模型产品

3 结论

利用无人机倾斜摄影，经过内外业处理，可以得到研究区范围内8.6 cm分辨率的正射影像和DSM，满足大比例尺地形图测绘要求。无人机倾斜摄影作业成本低，出图成效快，成图精度高，并能克服山区地形对传统地面测绘带来的不利影响，为村落数字化保护提供了新理念和新思路。三维实景模型具有真实的三维坐标，可360度缩放查看，能拆分为单体建筑进行分析，而且可以嵌入地理信息系统，结合地理环境进行坡度、坡向、通视性、可达性等综合分析，为乡村规划提供基础数据与规划决策支持。