基于無人機遙感技術的村落建筑遺產數字化方法研究

譚金石 林浩楠 于海燕

（1.廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州 510510；2.廣州遙感信息科技有限公司，廣東 廣州 510510）

我國是世界上歷史悠久的文明古國，積淀了豐富的文化遺產[1]。村落建筑遺產作為鄉村文化遺產的重要組成部分，在鄉村文化傳承和發展中發揮重要作用。受城鎮化的進程推進、環境變化、人類行為等因素影響，部分村落建筑遺產受到不同程度的破壞[2]。因此，亟須開展村落建筑遺產數字化保護工作。

傳統建筑遺產的保護是通過數據記錄形式，如文字、手畫圖紙、拍攝照片、音視頻等，此類方式效率低、人工成本高、形式單調，存在一定的主觀性，不利于后續的數據應用和分析研究[3]。隨著信息化和數字化技術的發展，文化遺產保護多采用不直接接觸目標物體的遙感技術，如衛星遙感[4]、攝影測量[5]、三維激光掃描[6]等。衛星遙感主要針對大范圍內不可移動的建筑文物進行變化監測[7]；三維激光掃描具有非接觸式、高效率、高精度等優勢，直接獲取目標物表面密集三維點云，在文物遺產的監測、保護及修繕方面得到廣泛的應用。地面測繪設備無法獲取建筑遺產頂部數據，且成本較高，主要用于城區重點文物保護，難以在鄉村眾多建筑遺產保護中推廣。無人機傾斜攝影技術可以快速地拍攝目標物的多視角影像，構建逼真的三維實景模型，在全國性“房地一體化”項目、智慧城市等大型項目中得到廣泛應用。但是常規的拍攝方式由于空中拍攝視角，目標物底部存在遮擋，構建的三維實景模型底部及遮擋區域容易出現模型扭曲、變形、空洞等問題[8]。

結合村落建筑遺產分布范圍廣、零散等情況，文章利用消費級無人機展開村落建筑遺產數字化方法研究，采用無人機“貼近+環繞”傾斜攝影方式，結合影像匹配、計算機視覺等技術對拍攝的影像數據進行處理，構建精細、完整的實景三維模型，為文物保護部門提供數據支撐。

1 基本原理與方法

1.1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術是在攝影測量基礎上發展的產物，最早應用于軍事領域，后續延伸至其他行業中。無人機傾斜攝影測量技術又稱為“實景復制技術”，通過對無人機飛行平臺搭載多（單）鏡頭相機，在飛行過程中從俯視、側視等多個角度拍攝影像[9]，通過空中三角測量、密集匹配、三角網構建、紋理映射等過程，對攝影場景進行三維重構，構建精確的地物信息。

1.2 無人機“貼近+環繞”攝影

外業傾斜攝影是實景三維建模的關鍵，與成功建模以及建模效果密切相關。根據傾斜攝影平臺搭載的相機鏡頭個數不同，航線規劃也有所不同，如五拼傾斜攝影系統，采用常規“S”形航線飛行；單鏡頭相機，需要按“＃”字形航線飛行，從正下方、左、右、前、后多個方向飛行五次；三鏡頭相機，需要按“十”字飛行。根據傾斜攝影相機的類型，需要拍攝目標對象的頂部和四周的多視影像。五拼傾斜攝影相機造價較高，需要較大型無人機才能搭載，性價比較低[9-10]。采用消費機無人機為遙感平臺，價格低、輕量化，可以有效進行建筑遺產的外業影像拍攝。

結合鄉村建筑遺產的特點，如零散分布、獨棟建筑、樓層以1～3層為主。利用消費級、輕小型無人機搭載單鏡頭相機，結合新型的“貼近+環繞”的傾斜攝影方式，能夠快速獲取建筑遺產的多視傾斜影像數據，建筑遺產“貼近+環繞”拍攝如圖1所示。

圖1 建筑遺產“貼近+環繞”拍攝

拍攝的具體思路為：

（1）建筑遺產上方按“S”形航線設計，相機鏡頭垂直朝下拍攝，獲取建筑及周邊的頂層影像，如圖1（a）所示。

（2）建筑側面部分以建筑外輪廓為邊界，以側面作為拍攝對象，將無人機圍繞建筑，保持一定距離進行貼近和環繞拍攝，如圖1（b）所示。

（3）建筑側面分層拍攝根據建筑物的高度和垂直航線間距，按一定的間隔進行分層環繞拍攝，如圖1（c）所示。

在拍攝的過程中，設置航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為30%～60%。根據建筑遺產的具體結構，對重疊度進行適當調整。

1.3 數字化三維重建

數字化實景三維重建主要依賴實景三維建模軟件，包括國外軟件如Pictometry、Context Capture、法國Street Factory、Photo Mesh等[11]，國內軟件如Atizure、Smart 3D、DP-Smart、重建大師等。三維重建過程主要包括傾斜影像整理與預處理、空中三角測量、密集匹配、三角網構建、自動紋理映射、模型修飾、高質量三維模型構建等。

文章采用Bently Context Capture軟件進行數字化三維重建，此軟件是一款專業的三維實景建模軟件，建模過程人工干預少，能夠有效將拍攝的多角度傾斜影像數據生成還原度較高的實景三維模型，具有快速、全自動等特點。模型成果采用層次細節模型（LOD），生成的地物模型對計算機配置要求較低，能夠充分表達地形地物細部特征，同時可以輸出三維點云、正射影像圖、數字表面模型等成果。

2 試驗方法

2.1 試驗區概況

試驗區位于廣東省始興縣，始興位于湞江河畔，是古代的交通要道。始興圍樓是始興的一道古樸風景，圍樓保存完整。始興圍樓，形式多樣，結構各異。按種類分為土圍、磚圍、泥磚圍、石圍；按構筑形式分為“城堡式”“碉樓式”；按平面布局分為正方形、長方形、橢圓形。始興圍樓頂部呈尖峰狀、鍋耳狀，均蓋青瓦。選取1 處典型圍樓（“永成保障圍”），利用大疆精靈4Pro進行建筑傾斜攝影及數字化三維重建。

2.2 試驗過程與分析

在建筑遺產影像采集階段，采用大疆精靈4Pro無人機，搭載相機為FC3610，焦距為8.8 mm，像元大小2.401 2 μm，最大續航為30 min，有效像素2 000萬，像幅為4 864×3 648像素。相機通過云臺可調整為-90°～30°。影像拍攝采用垂直朝下拍攝和側面貼近環繞拍攝，上方拍攝高度約60 m，地面分辨率約2 cm，共拍攝272張照片。利用Context Capture軟件進行空中三角測量及建模。空中三角測量恢復照片位置和姿態如圖2所示。

圖2 空中三角測量恢復照片位置和姿態

利用空三成果，進行影像密集匹配、三角網構建、紋理映射等過程，構建數字化三維模型。建筑遺產數字化三維模型效果如圖3所示。

圖3 建筑遺產數字化三維模型效果

根據數字化三維模型可知，建筑遺產頂部、側面和底部細節完成精度較高，模型可以用于建筑遺產的數字化保存、維護、修繕、旅游宣傳、虛擬仿真展示等應用。

3 結語

文章針對村落建筑遺產數字化方法展開研究，采用消費級無人機（以大疆精靈4Pro）作為遙感平臺對建筑遺產進行“貼近+環繞”傾斜攝影，獲取建筑頂部和側面的傾斜影像，再進行傾斜攝影測量三維重構，構建精度較高的建筑遺產實景三維模型。文中所述方案具有設備低價格、輕量化、易實施的特點，方便在鄉村推廣，能夠為鄉村文化遺產數字化保護、保存、修繕提供數據支撐，服務鄉村振興。后續可以研究全自動化拍攝，結合全自動化“云計算+云建模”的模式，使更多的鄉村遺產得到數字化保護。