傳統村落實景三維建模，看完就能上手！

本文利用無人機五鏡頭傾斜攝影系統配合完成了安徽省 13 個傳統村落的數據采集，結合Context Capture Center處理終端，生成了.osgb格式的三維實景模型，完成了模型數據的發布，并最終嵌入到中國傳統村落數字博物館的網頁中。

本文采用的技術方案適用于村落范圍的模型構建，能夠自動生產出空間分辨率高、拓撲關系良好、細節表現豐富的實景模型，對于中國傳統村落數字博物館的建設以及傳統村落的小環境改造都能起到積極作用。

內容圍繞以下四點展開：測區概述、數據采集方案、數據處理方案、應用價值。全文3345字，預計閱讀時間9分鐘。

目前，傳統村落范疇內的實景模型研究還較少，原因主要有以下 4點：

• 數據采集有難度。村落內的道路網緊密且狹窄，傾斜攝影系統很難捕捉到建筑物的側面紋理信息，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。傳統村落的選址一般都依山傍水，天氣與自然環境條件較為復雜，風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；
• 技術規范不明確。三維實景模型的數據采集沒有相關的規范；
• 交通可達性較差。許多傳統村落坐落于偏遠山區，車輛難以抵達，常常需要人力攜帶整套作業設備徒步前往。

基于此，本文以安徽省黃山市13個傳統村落為研究區，驗證無人機三維實景快速建模技術應用到傳統村落數字博物館建設的可行性。

試驗區概述

本文以安徽省黃山市13個傳統村落為研究區，既有入選世界文化遺產的西遞村和宏村，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，但是根據所處地理環境的不同，各村落之間也存在一些差異，這些差異主要表現在村落面積大小、地勢起伏程度、村落整體形態、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據采集以及后期的數據處理。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，優化數據采集方案是獲取三維實景模型的前提

技術路線

▲圖1 技術路線圖

1 數據采集

1 作業準備

在進行數據采集前首先對整個村落完成現場踏勘和各種準備，包括起飛點的選擇和空域申請，以及村落范圍、村落形態、建筑密度、天氣條件、安全飛行高度等因素及設備參數的確定。采集系統采用的是六旋翼無人機搭載五鏡頭。

2 航線規劃

航線規劃無論是對于前期的數據采集還是后期的數據處理都有很大的影響，可以說是三維實景建模的重中之重。高質量的航線規劃不但可以節省外業采集數據的時間，而且還可以提高內業數據處理的效率。村落的邊界一般為不規則多邊形，在確定航線角度的時候應當保證整個村落都應該覆蓋到，避免漏測情況的出現，另外，航線的角度盡量和當時的風向相同。

▲圖 2 漁梁村部分航線規劃

3 任務實施

將航線規劃的參數輸入到地面站中，再通過地面站將飛行任務上傳到飛行器的飛控端。飛行器啟動后會按照之前設定好的飛行路線進行自主飛行，任務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即可完成。經過對13個村子的多次飛行發現，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當盡可能地靠近設定航線的起始點，保證在視距范圍內（小于500m）。
• 天氣因素。本次工作進行數據采集的時間為 2月，正值雨季，山區的天氣變化無常。在下雨之前會有積雨云迅速匯聚，并伴有大風。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力的變化情況，由于本次所用飛行器的抗風等級為7級，當遇到惡劣天氣時就會中止飛行任務并降落。待天氣轉晴后利用斷點續飛功能再完成剩余的航線。
• 飛行監視。飛行器在作業時，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；并全程監視飛行器的飛行參數，確保飛行安全。

2 質量控制

質量控制主要是檢驗數據的可靠性，判斷是否可以保證數據處理的完成。主要包括4個方面：

• 丟片檢查。對比觸發曝光數與數據存儲中的照片數是否相同。
• 定位數據檢查。檢查每個曝光點的定位是否正確，全程衛星信號是否正常。
• 照片清晰度檢查。檢查照片是否有模糊情況出現。
• 照片重疊度檢查。實際飛行中減產照片的航向與旁向重疊率是否在預設范圍內。

3 數據處理

1 數據預處理

數據預處理主要是制作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參數等。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，導入傾斜攝影系統內部的GPS文件，該文件包含每張照片的經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，最終通過聯合約束平差獲取每張照片拍攝時的姿態角，獲得點云。

▲表 1 龍川村空三解算結果報告

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，獲得到的連接點數為220409個，反投影中誤差為0.61像素，反投影標準差為0.79像素，地面點到攝站點距離標準差為0.0221m，結果良好。

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建三角網，并將紋理準確映射在其上的過程，包括坐標設定、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，空間參考坐標系選擇為站心坐標系。重建范圍為之前在Google Earth上設定好的.kml文件，將其導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 數據發布與共享

將生產出來的實景模型數據進行壓縮后上傳到了三維實景模型云平臺，完成了模型數據的發布。模型數據包含2個部分：.osgb格式的模型數據文件和地理坐標信息(metadata)數據。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與公眾的共享，還可以通過調用模型窗口代碼將模型窗口嵌入到中國傳統村落數字博物館的網頁之中，以三維的視角讓公眾更直觀地了解傳統村落的建筑風貌以及村落形態。

圖 4為中國傳統村落數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注，標注有文字、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。另外規劃設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境改造方案，起到輔助設計的作用。

▲圖4 唐模村數字博物館三維實景模型窗口

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