无人机倾斜摄影测量技术在少数民族村寨保护中的探索与应用

梁翌昕，潘宏宇

（云南大学地球科学学院，云南昆明，650504）

0 引言

无人机倾斜摄影测量技术利用在无人飞行平台上搭载多台传感器，从多个角度采集地面物体的影像数据，并借助全自动高性能影像处理软件，能够快速构建出三维实景模型[3]。其发展和应用为历史文物与建筑、传统村落保护等领域提供了新的研究方法和思路。叶思远使用旋翼无人机搭载南方测绘倾斜航空摄影相机采集研究区影像数据，进行三维实景建模；谭燕萍基于低空无人机倾斜摄影测量系统实现了快速获取美丽小镇实景三维影像的工作[4]等。目前，采用无人机倾斜摄影技术的实景三维构建主要针对城市或居民区域，而对于传统村落、少数民族村寨的三维场景研究较少。

本文基于无人机倾斜摄影技术建立少数民族村寨的三维模型，拟利用无人机倾斜摄影测量技术对少数民族村寨进行三维建模，对具体的内容和方法进行介绍，并以云南省金平县标水岩村为研究区建立实景三维模型，为政府管理部门、当地居民和游客提供大数据支持，以便客观反映少数民族村寨的保存现状。

1 无人机倾斜摄影测量实景三维建模

1.1 无人机倾斜摄影测量技术简介及原理

无人机倾斜摄影测量技术是近年来国际上新兴发展的一项高新技术，该技术融合了数字地面采集技术与传统航空摄影测量技术的优势，它通过在飞行的平台上搭载五棱镜头相机和定位系统，实现同时从4个倾斜角度和1个垂直方向来获取地物影像，其中垂直地面的影像被用于制作传统的4D产品，另外四组倾斜影像数据用于获取地物侧面的纹理信息[5]。无人机上搭载高分辨率多视角摄影仪作为遥感平台，即构成了无人机倾斜摄影测量系统。它可以高效、快速地获取高分辨率的影像数据，结合倾斜摄影测量技术，快速生成实景三维模型。

1.2 利用无人机倾斜摄影测量技术三维建模的优势

无人机倾斜摄影测量技术具有以下优势：①多角度拍摄。摄影测量过程中可实现了多方位和多角度的动态实时拍摄，并可获得航飞实验区多个方位的影像资料，满足基本三维建模的需求。②影像数据的高分辨率。大多数无人机都在低空进行航飞，离地面的距离比较近，因此可以获得高分辨率的地物影像。同时能进一步对地物的坡向、坡度、角度等进行综合性测量，所以无人机的应用范围非常广阔。③降低建模成本。传统的建模方法费时又费力，效率低且整体成本较高。而无人机结构简单，成本低廉，将无人机倾斜摄影测量技术与航空摄影相互结合，通过批量提取纹理来建立实景三维模型，大幅度降低了建模的成本。

1.3 无人机倾斜摄影测量实景三维建模的内容

基于无人机倾斜摄影测量技术的实景三维建模主要包括量测数据获取与预处理、空三加密以及三维建模三个部分。本文使用Context Capture软件构建实景三维模型的技术路线如图1所示。

图1 基于Context Capture软件的三维建模技术路线图

1.3.1 数据获取与预处理

使用无人机倾斜摄影测量系统按预定的航线和方式进行拍摄，在无人机上搭载多镜头相机，获取前、后、左、右与垂直5个方向的影像数据，从而获得地物正射方向和不同侧面的纹理照片。拍摄时选择晴朗无风的天气进行航飞，以确保影像清晰且层次丰富、色调一致、反差适中，保证得到一个较好的三维模型。在影像采集完成后，需要对每张像片进行检查，检查是否存在漏拍或不满足精度要求的区域，对该区进行补拍或重拍。

1.3.2 空三加密

将预处理得到的影像数据以及机载POS系统获得的倾斜影像的初始外方位元素导入程序，利用正视、斜视影像构建区域网，多视角影像自动匹配；经过反复滤波、平差，求解得到符合精度要求的外方位元素；最后进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果。

1.3.3 三维建模

空三加密完成后就可以进行TIN三角网的构建，对TIN进行波简化等处理可生成白膜，再通过纹理映射获得实景三维模型。Context Capture可以直接完成单个物体的三维重建，而对于数据量较大的工程来说，通常要采取分块的方法，在参数设置时可将模型分割成大小相同的许多块，然后分别生成各个块。这不仅弥补了计算机性能的缺陷，也便于计算机分布式运算的任务分配，同时又提高了模型的精度和重建速度[6]。若要提高模型数据的整合与更新能力，还可以对效果不理想或存在空洞的瓦片可以进行再生成或编辑。

2 应用实例

2.1 研究区概况

标水岩位于云南省金平苗族瑶族傣族自治县马鞍底乡中寨村，地处分水岭国家自然保护区的边缘，是一个典型的哈尼族聚居村寨，拥有传统的民俗文化和民族风情。标水岩村是“中国·红河蝴蝶谷”规划建设的核心区，哈尼族人家世代居于此村寨，他们农作的田野就属于世界文化遗产——“哈尼梯田”。2013年，金平县政府响应“美丽家园”建设计划，将标水岩村打造成具有“吃、住、行、游、购、娱”六要素综合功能的哈尼民俗文化村。2017年4月，标水岩村荣获第二批“中国少数民族特色村寨”称号。其总面积有1.69 km2，总人口为1088户，具有特色民居蘑菇房建设70户。近几年，政府加大对中华蝴蝶谷的开发力度，因为标水岩村属于中华蝴蝶谷，所以经历了传统建筑被破坏、村民生活被干扰等问题，探索如何保护与发展标水岩少数民族村寨迫在眉睫。

2.2 试验设备选型

试验区均为高山地形，高差约1230m。本次调查使用相机型号为FC330的DJI无人机，航拍航测区域面积范围约为0.156km2。调查时间为2017年12月20日14：00左右，当天天气晴朗，风速1～2级，PM2.5优。飞行预设的相对高度为200m，共布置了20条航线（横向10条、纵向10条），航向重叠度通常为60%-80%，旁向重叠度通常为15%-60%，飞行速度为5m/s。通过对试验设备参数进行设置，保证无人机在规定航线上飞行，最终共获取了784张斜片和365张正射像片。

2.3 实景三维建模的成果

本文采用Smart3D的CC（Context Capture）软件自动化地构建三维模型。通过结合飞行过程中获取的POS数据来求解精准的外方位元素，再根据特征匹配算法获取高精度同名点匹配结果。然后采用光束法区域网平差来完成多角度影像联合平差过程即空中三角测量，实现高密度点云的初步构建。再构建的TIN三角网模型和白膜，最后利用影像的纹理信息映射到白膜的各角度[7]，创建高精度的标水岩村实景三维模型（如图2所示）。但要注意的是，由此生成的三维模型可能会因在数据获取过程中受飞行平台的影响或者后期影像处理的原因，出现纹理变形、悬浮、凸包等问题，仍需进行模型修饰以得到更加精确的实景三维模型。

图2 标水岩少数民族村寨三维实景模型

2.4 三维建模结果分析及精度评价

根据三维模型可以清晰地看出，标水岩村位于一个朝阳、开阔且平缓的山坡，并具有“森林—村寨—梯田—水系”四素同构的生态景观格局，以及其独特的聚落格局——寨头为茂密的寨神林，寨尾是开阔的磨秋场，村民则居住于寨心。在村寨的整个空间格局里，特色居民蘑菇房蕴含着丰富的文化特征和民族记忆，作为物质载体，它更是过去与现在地域历史发展、生产生活、民族文化的写照。随着时代的进步以及旅游业的快速发展，传统民居的功能性衰退，一些村寨为适应时代的变迁，公共文化空间逐步衰退，其聚落格局也发生变化，甚至遭到破坏。面对这些问题，为了实现现存村寨空间整体格局的保护与发展，首当其冲的是考虑提高当地居民对村寨空间的认知水平以及文化认同感。

通过构建的标水岩村三维模型可以看出：①少数民族村寨的三维场景模型完整，各地物要素实现了完好复现，几何特征精细、逼真。②将三维模型放大后，各地物空间拓扑关系基本正确，模型场景中地物纹理与现实地物也基本相似，房屋和道路仍然纹理清晰、真实，模型不存在变形的问题，如图3所示。③场景建筑的各种细节结构如房顶、窗户基本可以展现出来。根据控制点误差报告可知，三维模型的最大误差值为0.0082 m，中误差为0.006，全球RMS为0.0055；水平误差和垂直误差都精确到0.01m，该精度足够满足少数民族村寨三维场景保护和管理的精度要求。

图3 实景三维模型局部放大图

3 结语

通过无人机倾斜摄影技术得到的少数民族村寨高精度、纹理粘合度好的三维模型，在降低时间和费用成本的同时，也能够详细地反映地物精确的位置信息和表面的细节纹理，以及地物的空间相对关系。 本文主要以云南省红河州标水岩哈尼族聚集村寨为研究区域，利用无人机倾斜摄影测量技术获取研究区的影像数据，系统研究了少数民族村寨实景三维模型构建的方法，为有效推进少数民族传统村寨保护与发展提供大数据支持。

首先，具有真实纹理的高精度少数民族村寨三维模型，可以使领导者或当地政府管理部门全面地了解当地的建设情况，宏观掌握村寨现有的空间格局、建筑设施及环境风貌。同时，也为少数民族村寨的保护与发展进程跟踪管理提供了新思路。其次，通过三维实景模型将少数民族传统民居的现有空间格局进行模拟，能够直接清楚地看出存在问题以及科学地制定未来空间格局的建设方案，帮助村民合理地保留和延续少数民族传统村落的原始风貌和文化，提升村民保护与传承村落文化的自发性。最后，面对因旅游发展造成民族村寨和优秀文化瓦解或消逝的现象，应用实景三维模型可使游客从任意方向和角度浏览景区的实际自然风貌，拥有身临其境的感觉。由于影像和模型具有准确的三维坐标，也可为少数民族村寨的资源调查、景区规划、面积计算等工作提供基础数据。

本文的方法对于探索少数民族村寨的保护与发展具有一定的应用价值，但还存在一些问题需要持续探索和改进。在本次研究中，由于影像数据较多，在进行操作时在重建模型方面花费了较多时间，且仍会出现一些细节部分不完善、少部分纹理丢失等情况，建议可采用集群的方法多设备进行操作，以便优化模型的效果和提升建模效率，提高实景三维模型的应用价值和前景。未来可进一步研究如何采集更丰富的纹理信息，提高模型效果和数据质量，以及研究如何将三维GIS与三维实景模型深入结合，实现对三维模型的分析和处理，探索其在少数民族村寨保护中的应用，为少数民族村寨的保护与传承提供帮助。