基于无人机遥感技术的村落建筑遗产数字化方法研究

谭金石 林浩楠 于海燕

（1.广东工贸职业技术学院，广东 广州 510510；2.广州遥感信息科技有限公司，广东 广州 510510）

我国是世界上历史悠久的文明古国，积淀了丰富的文化遗产[1]。村落建筑遗产作为乡村文化遗产的重要组成部分，在乡村文化传承和发展中发挥重要作用。受城镇化的进程推进、环境变化、人类行为等因素影响，部分村落建筑遗产受到不同程度的破坏[2]。因此，亟须开展村落建筑遗产数字化保护工作。

传统建筑遗产的保护是通过数据记录形式，如文字、手画图纸、拍摄照片、音视频等，此类方式效率低、人工成本高、形式单调，存在一定的主观性，不利于后续的数据应用和分析研究[3]。随着信息化和数字化技术的发展，文化遗产保护多采用不直接接触目标物体的遥感技术，如卫星遥感[4]、摄影测量[5]、三维激光扫描[6]等。卫星遥感主要针对大范围内不可移动的建筑文物进行变化监测[7]；三维激光扫描具有非接触式、高效率、高精度等优势，直接获取目标物表面密集三维点云，在文物遗产的监测、保护及修缮方面得到广泛的应用。地面测绘设备无法获取建筑遗产顶部数据，且成本较高，主要用于城区重点文物保护，难以在乡村众多建筑遗产保护中推广。无人机倾斜摄影技术可以快速地拍摄目标物的多视角影像，构建逼真的三维实景模型，在全国性“房地一体化”项目、智慧城市等大型项目中得到广泛应用。但是常规的拍摄方式由于空中拍摄视角，目标物底部存在遮挡，构建的三维实景模型底部及遮挡区域容易出现模型扭曲、变形、空洞等问题[8]。

结合村落建筑遗产分布范围广、零散等情况，文章利用消费级无人机展开村落建筑遗产数字化方法研究，采用无人机“贴近+环绕”倾斜摄影方式，结合影像匹配、计算机视觉等技术对拍摄的影像数据进行处理，构建精细、完整的实景三维模型，为文物保护部门提供数据支撑。

1 基本原理与方法

1.1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是在摄影测量基础上发展的产物，最早应用于军事领域，后续延伸至其他行业中。无人机倾斜摄影测量技术又称为“实景复制技术”，通过对无人机飞行平台搭载多（单）镜头相机，在飞行过程中从俯视、侧视等多个角度拍摄影像[9]，通过空中三角测量、密集匹配、三角网构建、纹理映射等过程，对摄影场景进行三维重构，构建精确的地物信息。

1.2 无人机“贴近+环绕”摄影

外业倾斜摄影是实景三维建模的关键，与成功建模以及建模效果密切相关。根据倾斜摄影平台搭载的相机镜头个数不同，航线规划也有所不同，如五拼倾斜摄影系统，采用常规“S”形航线飞行；单镜头相机，需要按“＃”字形航线飞行，从正下方、左、右、前、后多个方向飞行五次；三镜头相机，需要按“十”字飞行。根据倾斜摄影相机的类型，需要拍摄目标对象的顶部和四周的多视影像。五拼倾斜摄影相机造价较高，需要较大型无人机才能搭载，性价比较低[9-10]。采用消费机无人机为遥感平台，价格低、轻量化，可以有效进行建筑遗产的外业影像拍摄。

结合乡村建筑遗产的特点，如零散分布、独栋建筑、楼层以1～3层为主。利用消费级、轻小型无人机搭载单镜头相机，结合新型的“贴近+环绕”的倾斜摄影方式，能够快速获取建筑遗产的多视倾斜影像数据，建筑遗产“贴近+环绕”拍摄如图1所示。

图1 建筑遗产“贴近+环绕”拍摄

拍摄的具体思路为：

（1）建筑遗产上方按“S”形航线设计，相机镜头垂直朝下拍摄，获取建筑及周边的顶层影像，如图1（a）所示。

（2）建筑侧面部分以建筑外轮廓为边界，以侧面作为拍摄对象，将无人机围绕建筑，保持一定距离进行贴近和环绕拍摄，如图1（b）所示。

（3）建筑侧面分层拍摄根据建筑物的高度和垂直航线间距，按一定的间隔进行分层环绕拍摄，如图1（c）所示。

在拍摄的过程中，设置航向重叠度为60%～80%，旁向重叠度为30%～60%。根据建筑遗产的具体结构，对重叠度进行适当调整。

1.3 数字化三维重建

数字化实景三维重建主要依赖实景三维建模软件，包括国外软件如Pictometry、Context Capture、法国Street Factory、Photo Mesh等[11]，国内软件如Atizure、Smart 3D、DP-Smart、重建大师等。三维重建过程主要包括倾斜影像整理与预处理、空中三角测量、密集匹配、三角网构建、自动纹理映射、模型修饰、高质量三维模型构建等。

文章采用Bently Context Capture软件进行数字化三维重建，此软件是一款专业的三维实景建模软件，建模过程人工干预少，能够有效将拍摄的多角度倾斜影像数据生成还原度较高的实景三维模型，具有快速、全自动等特点。模型成果采用层次细节模型（LOD），生成的地物模型对计算机配置要求较低，能够充分表达地形地物细部特征，同时可以输出三维点云、正射影像图、数字表面模型等成果。

2 试验方法

2.1 试验区概况

试验区位于广东省始兴县，始兴位于浈江河畔，是古代的交通要道。始兴围楼是始兴的一道古朴风景，围楼保存完整。始兴围楼，形式多样，结构各异。按种类分为土围、砖围、泥砖围、石围；按构筑形式分为“城堡式”“碉楼式”；按平面布局分为正方形、长方形、椭圆形。始兴围楼顶部呈尖峰状、锅耳状，均盖青瓦。选取1 处典型围楼（“永成保障围”），利用大疆精灵4Pro进行建筑倾斜摄影及数字化三维重建。

2.2 试验过程与分析

在建筑遗产影像采集阶段，采用大疆精灵4Pro无人机，搭载相机为FC3610，焦距为8.8 mm，像元大小2.401 2 µm，最大续航为30 min，有效像素2 000万，像幅为4 864×3 648像素。相机通过云台可调整为-90°～30°。影像拍摄采用垂直朝下拍摄和侧面贴近环绕拍摄，上方拍摄高度约60 m，地面分辨率约2 cm，共拍摄272张照片。利用Context Capture软件进行空中三角测量及建模。空中三角测量恢复照片位置和姿态如图2所示。

图2 空中三角测量恢复照片位置和姿态

利用空三成果，进行影像密集匹配、三角网构建、纹理映射等过程，构建数字化三维模型。建筑遗产数字化三维模型效果如图3所示。

图3 建筑遗产数字化三维模型效果

根据数字化三维模型可知，建筑遗产顶部、侧面和底部细节完成精度较高，模型可以用于建筑遗产的数字化保存、维护、修缮、旅游宣传、虚拟仿真展示等应用。

3 结语

文章针对村落建筑遗产数字化方法展开研究，采用消费级无人机（以大疆精灵4Pro）作为遥感平台对建筑遗产进行“贴近+环绕”倾斜摄影，获取建筑顶部和侧面的倾斜影像，再进行倾斜摄影测量三维重构，构建精度较高的建筑遗产实景三维模型。文中所述方案具有设备低价格、轻量化、易实施的特点，方便在乡村推广，能够为乡村文化遗产数字化保护、保存、修缮提供数据支撑，服务乡村振兴。后续可以研究全自动化拍摄，结合全自动化“云计算+云建模”的模式，使更多的乡村遗产得到数字化保护。