鄉村振興戰略下無人機技術在數字鄉村建設中的應用
——以麥積區三岔鎮吳砦村為例

茍彥梅，陳代鑫，楊發輝，劉帥帥

(甘肅林業職業技術學院 測繪工程學院，甘肅 天水 741000)

0 引言

利用測繪高科技手段獲取鄉村的三維影像數據，構建鄉村實景三維模型、數字正射影像等數字化產品，以此空間數據信息技術開展鄉村建設，建立鄉村空間數據庫，服務于鄉村規劃建設，提升鄉村人居環境建設水平和村民幸福感，達到鄉村振興的示范作用。

吳砦村位于甘肅省天水市麥積區，是三岔鎮的行政中心，是已有900余年歷史的古城，具有文化歷史意義。其為南宋抗金名將吳璘所筑，清乾隆年間，吳砦城設三岔廳署，陡崖上的古城歷經滄桑，傳承了中華文化。據《秦州直律州志》載：“城的四角均有哨樓，四面的土城墻下寬七米，上端兩米，城墻四角和四面有兩處城墩”[1]。如今，吳砦古城進行了古城保護項目，城墻重新修繕，加之新農村建設推進，吳砦成為集商貿、旅游、文化為一體的新時代古鎮。吳砦智慧化建設需要獲取鄉村空間大數據，由內業數據處理生產高精度的正射影像DOM，構建鄉村三維模型。

1 傾斜攝影測量技術

無人機攝影測量技術是使用多旋翼無人機搭載形式多樣的攝像頭及輕型便捷五鏡頭傾斜相機以作業模式進行攝影測量[2]。也搭載單鏡頭相機以傾斜攝影作業模式進行攝影測量[3]。地形區域的傾斜影像獲取可用單鏡頭相機作業模式、利用航線規劃軟件規劃正射及傾斜4個不同角度的航線。不同航線規劃軟件設計傾斜航線稍有區別，特殊情況的建筑物傾斜影像獲取可手動遙控無人機，設置好參數采集傾斜影像[4]。

傾斜攝影三維建模的關鍵技術主要有以下幾種：一是傾斜影像與POS數據、像控點坐標數據進行聯合空三加密，多視影像密集匹配為獲得高密度三維點云，其影像匹配實質是多幅影像之間尋找同名點，即同名像點提取及匹配[6]。多視影像聯合平差是充分考慮非攝影測量信息，如影像畸變較大的情況，作為附加條件一起參與平差，以共線條件方程為基礎方程，列出的誤差方程為解算參數的核心，建立非攝影測量信息的誤差方程聯合解算[5]。二是傾斜攝影紋理映射。對點云進行切割分塊，利用切塊點云數據構建3D TIN，建立每個瓦片打包的任務，選擇最佳紋理信息，自動紋理切片映射，帶紋理的模型需要建立多細節的LOD分級層次，提高分層次瀏覽模型的效率，完成實景三維模型的構建[7]。

2 基于傾斜攝影測量技術的古村數字化技術流程

第一階段要實地考察，溝通協調，進行拍攝難度評估，成本評估，研究航攝飛行方案、像片控制點布設與控制點測量方案；第二階段是外業數據采集，完成像片控制點的布設與像片控制點實測、無人機航拍影像采集；第三階段是內業數據處理，實景三維模型、DSM、DOM等數字化產品生產；第四階段是后續數據的二次開發，BIM+三維 GIS 動態信息管理平臺，建設三維GIS信息庫等，用于鄉村的合理規劃，以成果數據建立一套智能化、高校化、可視化的數字化鄉村形態管理體系[8]。圖1為項目實施路線任務圖。

圖1 古村數字化的技術流程Fig.1 Technique process of digitalization of ancient villages

3 吳砦古村數字化項目的實施

吳砦古城的南城墻外有人工深壕，有遺留下來的城東門、牌樓等遺址。為解決鄉村發展建設與文化古跡保護的矛盾，采用實景三維模型，其能夠直觀反映文化古跡的現狀，以數字形式永久保存。

無人機傾斜攝影測量的飛行無人機選擇大疆公司大疆精靈4pro，航線規劃軟件選擇廣州市達北信息科技有限公司的智行航線規劃軟件。通用版本巡檢包括通道路徑巡檢、精紳化巡檢、全景720巡檢、航空測繪四大巡檢功能模塊，全面覆蓋各現有智能飛行方式。航空測繪模塊中，軟件實現了矩形和任意多邊形全自動航測，為保證旁向分辨率，采用前后傾斜和90°格網飛行結合的方式，實現高密度保旁向重疊率的無人機自動化飛行方案。軟件實現航測的全自動數據采集，保證數據質量，同時支持斷點續傳，多次作業，飛行設計為“井”型航攝方案，圖2為“井”字航線飛行方案。

圖2 “井”字航線飛行方案Fig.2 “井” shape airline operation scheme

傾斜影像重疊率要求很高，航片重疊率影響航片拼接時同名點數，重疊率高，則同名點數多，相對定向中誤差小。為保證三維影像模型精度，建議大重疊率敷設方案[9]。規范要求航向重疊率不小于53%，旁向重疊率不低于8%，在實際操作中發現，較大重疊率可以提高成果質量，建議航向重疊率不低于80%，旁向重疊率不低于70%。對旋翼機而言，飛行速度越快，越會影響照片的重疊度及曝光率。在高精度建模中，無人機速度越慢，模型精度越高、細節效果越好。在保證模型精度高的同時，要兼顧飛行作業效率。為防止無人機返航時返航高度過低，造成撞機事故發生，設置返航高度至少要高于航飛高度。

4 吳砦古村航測數據內業處理

4.1 古村實景三維模型的構建

本次使用Bentley Context Capture三維建模軟件。導入具有坐標信息的影像數據、POS 外方位元素數據、連接點等信息，加入多視影像區域網平差的誤差方程內，聯合平差計算完成，加密出加密點的物方坐標與像片高精度的外方位元素[6]。選擇空間框架選項卡→設置空間參考系統→設置切塊模式→自適應切塊，根據計算機內存設置目標RAM使用量，選擇興趣區域進行切割分塊，生成瓦片，構建TIN模型，自動紋理關聯生成三維場景[3]。圖3為三角網格模型圖，圖4為白模三維模型。

圖3 部分三角網格模型截圖Fig.3 Screenshot of some triangular network models

圖4 部分白模三維模型截圖Fig.4 Screenshot of some white model 3D models

4.2 吳砦古村正射影像

Pix4Dmapper軟件為瑞士Pix4D公司世界級研究機構EPFL近10年的研究成果，軟件是集全自動、快速、專業精度為一體的無人機數據采集與航空影像數據內業處理，可快速生成最精準、詳盡的質量報告。Pix4Dmapper軟件全自動工作流程操作直觀簡單，具有自動正射影像的功能，可把影像轉化為數字模型和地圖，實現高精度航拍監控與數據分析[10]。使用詳盡的質量報告和 ray Cloud，可評估并提高項目質量。圖5為空三射線，圖6為部分數字正射影像。

圖5 空三射線截圖Fig.5 Screenshot of empty three ray

圖6 部分數字正射影像Fig.6 Some digital orthophoto images

5 古村數字化的意義

實景三維模型的構建可以利用虛擬現實技術展示新吳砦古城的面貌，擴大吳砦古村的宣傳力度，發展古城的智慧旅游項目。構建城東門、牌樓等遺址的實景三維模型，可解決鄉村發展建設與文化古跡保護的矛盾。實景三維模型能夠直觀反映文化古跡的現狀，以數字形式永久保存。基于無人機低空攝影測量的高精度正射影像圖的生成，可輔助鄉村總體規劃，為規劃鄉村道路及鄉村路網管理提供基礎數據。