无人机航测技术在乡村古建筑保护中的应用

袁士才，刘书婷，唐忠海，陈章傑

（长江师范学院）

1 引言

古建筑是社会进步、经济繁荣、文化昌盛的标志，它以独特的形式承载了大量的历史信息，是各地区独特乡土文化的集中体现[1]。但现实中，传统民间建筑的传承、保护与开发仍处于十分尴尬的境地，具体措施往往滞后[2]。改革开放以来，城市建设飞速发展，乡村居民逐渐向城市搬迁，由于早期没有对古建筑进行相应的评估，且许多民间古建筑长时间无人看管维护，使很多古建筑在城乡建设途中逐渐消亡[3]。目前，还没开发并保护相对完好的古建筑，大多分布在偏远的乡村中[4]。随着第三产业的兴起以及人民生活水平的大幅提高，旅游业服务需求激增，因此，各地开始打造文化旅游基地，挖掘历史人物、名胜古迹，打造了一批如“丽江古城、同里古镇、凤凰古城、磁器口古镇”等历史文化名镇，为地方经济的发展带来了极大品牌效应。然而，偏远乡村的经济发展较为落后，古迹文化的挖掘程度还不够高，原始素材获取手段较为单一，因此采用一种新型技术手段，对乡村古建筑现状进行分析，建立照片、影像及三维实景模型等多维资料，进而开展古建筑保护、乡村景点打造，对贫困乡村的经济发展有很大的推动意义。

2 无人机航测技术的优势

无人机航测系统是以无人机为飞行平台，搭载相机、激光雷达、三维激光扫描、热红外、高光谱等设备，以飞控软件控制其自主飞行，获取所需遥感数据的系统。无人机航测技术相对于卫星遥感技术，具备工作方式比较灵活，生产周期较短，适合于中小范围地形勘察或三维建模项目，相对于传统测绘技术，具备二维及三维成果丰富、不需要点位间通视，劳动强度低、工作相对安全等优势，广泛应用于各行业工程规划设计、国土资源管理与开发、地质灾害应急处理、电力水利行业巡线安检、智慧城市等领域，尤其是在工程测绘、国土资源调查监测、应急救灾等领域有广泛的应用前景[5]。在古建筑保护中，覆盖区域较小，因此旋翼无人机相对于另外两种类型无人机，具备起飞条件机动灵活、数据采集方便、影像处理及时高效、设备维护成本较低等优点，因此，利用旋翼无人机以遥感测量技术手段，利用航拍影像建立古建筑的实景三维模型，有利于降低人工作业风险，更适合古建筑遗产保护工作[6]。

3 古建筑应用实例

3.1 古建筑概况

图1 陈万宝庄园航拍位置示意图

本次实验选址为陈万宝庄园，位于重庆涪陵区青羊镇，为穿枓木结构，两重堂四合院带附院一楼一底建筑，建筑面积在10hm2以上，其建筑结构、建筑风格、建筑设计、建筑艺术堪称民居精品，素有川东陈万宝，川西刘文彩之说法[7]。但是，由于位处偏远乡村和以前保护意识不够强，在乡村改造中其主楼已被拆除，目前庄园其他建筑保护及配套设施建设也不够完备，制约了新时代乡村旅游资源的开发，为此，采用无人机航测技术开展应用研究，获取三维模型及影像资料，助力古建筑保护。

3.2 航测实验开展

庄园建筑为两层砖木结构，且建筑区域相对平坦，因此以大疆精灵4Pro无人机开展航测实验。实验中，将无人机飞行到一定高度，运用手动航拍模式，先将摄像头调至向下90°，每隔一定距离拍摄正射影像，之后将摄像头调至向下45°，同样手段拍摄四个方向倾斜影像，共计150张，航拍位置如图1所示。

3.3 建筑三维模型制作

目前，建筑倾斜实景三维建模软件主要有Pix4D、ContextCapture、Photoscan、Inpho、Mirauge3D等，各处理软件均有其特点。本次实验像片处理采用ContextCapture软件，该软件综合性能较好，且智能化极强，处理较为便捷。模型制作过程如下。

1）新建工程

设置工程路径，将像片导入软件中，检查像片参数，属性一般默认设置，添加像控点并进行刺点工作，提交空中三角测量。若空三运行正确，则进入下一步，若空三出现错误，则需检核刺点位置、控制点信息等是否准确，检查路径重新提交即可。

2）新建重建项目

根据运行电脑RAM确定切块大小，编辑空间框架，对工程范围进行裁切，设定好之后，即可提交新的生产项目。

3）设定输出形式

根据产品需求，设定输出成果形式，打开引擎，软件自行计算。

4）检查三维模型效果

可用Acute3D Viewer软件打开场景数据，检查三维模型处理效果，经过与实测数据进行验证，实景模型成果精度在cm级，模型效果较好，量测对比示意图如图2所示。

图2 三维模型量测示意图

经过实验，可见消费型无人机在古建筑保护，尤其是前期规划、三维模型资料获取方面有很大的优势，其投入成本和技术难度不高，对乡村古建筑保护有很大的应用价值，尤其是在古建筑保护立项申报前或维护经费不足等环节中得到充分的应用。另外，为保证模型的完整度，尤其是在遮挡区域，还需要地面补拍，协同处理，弥补模型中部分空洞或模糊情况，得到较好的三维实景模型。如果需要更高精度的三维实景模型，如mm级，则需借助三维激光扫描技术来完成，这个投入就相对要大一些了，可在后续精细三维模型建设中使用。

4 结语

通过无人机航测技术建立三维实景模型在各领域中的应用已十分广泛，三维实景模型技术的发展，对乡村古建筑的现状挖掘、保护修复以及地方特色景区的打造推广有极大的意义。因此，无人机航测技术作为一种新型的技术手段，持续挖掘西南片区乡村古建筑的特色，促进古建筑保护和地方经济一体化发展，为贫困乡村脱贫攻坚提供一条可行的思路。