Agisoft PhotoScan多视图三维建模软件在历史文化村落保护中的应用

汤曹辉，杨小军

(浙江理工大学艺术与设计学院，浙江 杭州 310000)

0 引言

长期以来，获取村落建筑、景观数据都以现场测量为主，借助AutoCAD 软件进行村落平面图的绘制。但CAD制图仅限于二维尺度，不能以三维立体的方式直观表达场地各项数据，测量方式耗时长且数据繁杂易出错，对数据处理人员的勘测的精确度和专业性有更高要求。数字技术的应用如利用多视图三维建模技术，需要三维扫描仪、Micro-CT 等设备，虽便捷高效，但设备昂贵且操作复杂，较难推广应用。Agisoft PhotoScan（以下简称AP）因其操作简易、测量精准、能快速建立并储存多视图的三维模型等特点，其优势不断凸显，为浙江历史文化村落的保护利用提供了新的路径和方法。

1 研究方法

1.1 研究区概况

2013 年至今，浙江省已启动九批390 个历史文化村落重点村保护利用工作，浙江省历史文化村落保护利用，已成为浙江省推进“千万工程”、高质量建设发展共同富裕示范区、展现新时代美丽乡村建设成效的文化之窗、璀璨明珠和点睛之笔[1]。岩下村位于浙江省丽水市缙云县，为中国传统村落、浙江省历史文化村落。岩下村古建筑遗存较多，建筑以石砌为主，村内现存石砌古民居28 处，古祠堂、古寺庙、古戏台、古桥、古道各1 处，最古老的四合院建于清康熙年间，距今有300 多年的历史。村落远离城市，位于海拔600米的山间谷地之中，呈现出传统村落原有朴实的风貌特征，具有浙南山地村落石居建筑风格。岩下石头古建筑群于2017年被列为浙江省级文物保护单位，具有较高的保护利用价值，故本文以岩下村为研究样本。

1.2 航片拍摄

AP软件以图片作为数据生成的基础，但拼接处理的效果受多种因素的影响，其中以无人机所获取影像数据的完整性为最。所以拍摄航片应把握好整体原则，保证每张航片的清晰度、色差、亮度等参数保持一致。不同种类的物体采用不同方式，对于单体建筑采用环视拍摄，对于村落群体建筑采用多视平行拍摄。对于村落平面图的拍摄一般采取往复折线法进行，确保两张相邻图片间的重叠率在60%以上，便于AP软件识别处理。

设定无人机以200 米的恒定高度飞行，过高难以保证拍摄照片的精度，过低则会造成建筑透视角过大，不利于照片的后期拼接。随后按照预定轨道进行航片拍摄，共采集获取无人机航拍21 张，相邻图片重叠率为70%。拍摄完成后，需要对航片做预处理，统一每张航片的亮度、色调，预处理后的照片效果将直接影响图片拼接的纹理效果[2]。

1.3 AP软件操作与应用

⑴添加照片

打开AP 软件，在界面左侧“工作区”菜单，选择“添加堆块”，即新建一个项目。再点击界面上方菜单栏“工作流程”菜单，选择“添加照片”，添加需要拼接的照片。期间可以标记照片中的地面控制点，标记也可用作图片连接点，提高“对齐照片”的精准度[3]。

⑵对齐照片

点击界面上方“工作流程”菜单，选择“对齐照片”，选择图片“对齐精度”，对齐精度与照片对齐效果成正比，照片对齐越精准，所需时间也越长，点击确认，即可自动对齐照片。无人机在拍摄航片时会记录拍摄点角度、经纬度、海拔等信息，AP软件以记录的数据信息为基础，检测匹配各照片的共同点，最终形成稀疏点云。

⑶生成密集点云

点击界面上方“工作流程”菜单，选择“建立密集点云”，密集点云的精度高低与航片拼接处理的准确度成正比。密集点云的生成，它是基于图片本身的图像信息和航拍拍摄点的坐标来确定的，AP软件根据航片中的数据信息，自动检测照片之间的共同点并完成匹配，匹配结果可被编辑和分类，进一步生成三维网格模型。

⑷生成网格

AP软件在密集点云的基础上，生成三维多边形网格来表示物体表面。点击界面上方“工作流程”菜单，选择“生成网格”，软件弹窗内“表面模型”选择“任意”、“源数据”选择“密集点云”，“面数”根据需求选择相应精度。

⑸生成纹理

点击界面上方“工作流程”菜单，选择“生成纹理”，软件弹窗“混合模式”选择“镶嵌”，“映射模式”选择“正射影像”，纹理大小选择“4096”。AP软件生成的纹理是将单张平面照片根据航片中的地理信息将航片合成为三维模型的表面贴图。在此基础上，不仅能建立三维实景模型传输至3Dmax 等建模软件中，还可以将照片中的纹理信息转换成平面正射影像。AP 软件所生成的三维模型，是一个承载大量信息的建造模型，为历史建筑、历史文化村落进行数字化保护提供了可能。

⑹成果输出

AP软件导出格式多且支持数据的分类输出，能满足不同类型的数据处理需求。将密集点云导出为XYZ Point Cloud，文件格式为txt，可作为测绘软件的数据来源。将3D 模型导出为DXF 文件格式可作为3Dmax 等三维软件的数据载体，进行高精度建模。将Orthomosaic（正射影像）导出为jpg 图片或kmz 格式，可导入地图软件进行空间变化分析。将等高线信息导出为shp 等格式，生成文件可导入地图软件来进行数据分析[4]，如图1所示。

图1 岩下村航拍合成图

2 村落平面形态量化应用

2.1 现状分析

近年来，城镇化高速发展和乡村盲目建设一定程度上破坏了村落空间形态的地域性、文化性和多样性，导致村落文脉断裂、村落传统格局破坏和村落空间无序发展等问题。在未来乡村规划过程中，村落空间格局的延续与优化是一个亟待解决的问题。村落平面形态的研究，多以定性分析和归纳为主，最常见的是以点、线、面为基本元素进行村落形态分析，将其分为块状聚落、线状聚落、点状聚落，在此基础上进行意象分析。

本文以村落中的主要空间构筑物——建筑、院墙为最小测量单位，其平面轮廓为基本要素，用不规则的几何图形简化无序的村落空间。AP 软件可提取村落平面图形的面积、周长等数据，将各数据进行组合计算，以此获取可使用的平面图形量化指标。如村落平面形态的延伸率、形状率、圆形率、聚集度等数值，通过这几项量化指标界定村落的平面形态特征。

2.2 提取方法

本文参考爱德华·T·霍尔在《隐匿的尺度》一书中的相关论述，结合乡村聚落边界尺度的提取方法，并充分考虑村落规模、建筑尺度、社会视域以及研究样本中村落边界数据，最终以50m作为村落边界的尺度。在不超过村落边界尺度的基础上，将村落边缘的建筑单体的转角顶点相连，绘制出村落边界，如图2所示。

图2 岩下村平面量化分析图

2.3 计算分析

形状指数在景观生态学等领域已得到广泛应用，采用与村落等面积、等长宽比的椭圆周长与村落边界周长的比值，来反映该村落与该椭圆在形状上的偏离指数，可以较准确地反映村落的形状特征，记为形状指数S[5]，如式⑴所示。

其中，P 为椭圆周长，A 为椭圆面积，λ 为椭圆长宽比。经过AP 软件测算分析可得：岩下村村落面积为42620.29m2，村落长轴为243.34m，短轴为88.74m，村落长宽比λ为2.74，椭圆周长为872.39m。将以上数据代入形状指数公式，求得岩下村平面形态的形状指数为0.92。文献[6]对22个浙江传统乡村聚落的平面形态进行了量化分析，最终归纳分析出当S＜2 且λ≥2 时，村落为带状聚落。因此在村落平面量化分析的基础上，以主观意象分析为辅助，可以得出：岩下村位于山间谷地之中，村落空间发展受周边山体制约，导致村落空间沿河流、道路两侧延伸，是典型的山地带状村落。

3 村落土地分析应用

3.1 现状分析

土地作为人类活动的空间载体，与人类的生存和发展息息相关，为人类提供各类产品和服务，并不断作用于人类社会的经济、政治等各个领域。城镇化快速发展与经济转型背景下，包含异地搬迁、土地指标问题在内的农村土地矛盾较为突出，增加了历史文化村落的保护的难度。因此在对历史文化村落土地利用类型进行量化研究的基础上，解析其时间与空间的变化特征与存在问题，进一步推动村落土地空间进行合理的布局，有利于历史文化村落的可持续发展。

3.2 提取方法

将AP 软件拼接合成的航片导入ArcGIS 软件，矢量化先前绘制的村落底图，处理后的图片导入ENVI软件，进行图片裁剪以及训练样区的选取，分类处理采用最大似然法，提取村落道路、建筑、水体、绿地四大土地利用类型，最终得到岩下村的土地利用类型监督分类结果，如图3所示。

图3 岩下村最大似然法分类图

3.3 计算分析

在软件中导出村落物像元个数，计算各土地利用类型占比，在村落总面积已知的前提下，计算出村落土地利用类型的面积及相关量化数据，如表1所示。

表1 土地类型信息表

从图3可以直观地判断出岩下村建筑、道路、水体的分布情况，结合表1 村落各土地利用类型的面积大小和所占比例的数据，可得出岩下村村落土地利用类型占比最高的为建筑和绿地，其次是道路，占比最低的为水体。通过AP 软件和ENVI 软件量化村落的地理信息，能有效指导村落的规划设计。

4 村落数字博物馆建设应用

4.1 现状分析

近些年，许多历史文化村落正在遭受破坏，村落数字博物馆的建设为历史文化村落的保护和活态传承提供了新路径，可实现村落遗产“永久保存”。当下村落数字博物馆的建设多用VR 全景虚拟现实技术来呈现，但村落建筑物众多，具有众多复杂的建筑形制，单个模型的构建通常使用常规的建模软件3DMax、Autodesk Maya 等即可完成。但通常村落都具有复杂建筑形制和村落场景，传统建模软件无法准确还原村落所处的自然山水格局与地形变化，并且具有精度无法把握、建模工作量大、成本高等缺点。

4.2 实际应用

AP软件的多视图3D建模功能可以高效地采集村落信息，生成高精度三维数字模型，并减少场景构建和复杂模型创建的工作量、成本，使历史文化村落的场景展现会更加真实，满足村落VR 虚拟场景的构建需求，将村落通过数字化的方式保留下来。其生成的三维可视化模型是村落VR 技术实现的基础，用户在客户端游览村落，以线性、并行的方式更直观地了解村落区位、生态环境、传统建筑、特色文化等，给人以身临其境之感[7]，如图4所示。

图4 岩下村三维模型图

5 结束语

Agisoft PhotoScan 基于其简易的用户操作界面、高精度的自动化系统、先进的计算算法等特点，可拼接生成正射投影图形和三维模型。在此基础上利用ArcGIS 和ENVI 软件，采用量化的方式分析村落建筑空间、土地利用类型占比、变化趋势等，有利于村落规划的合理布局。并且能生成三维可视化真彩色模型，场景还原度高，为村落数字博物馆的建设提供了新的方法，为历史文化村落的前期数据测量、中期的研究分析和后期的保护利用提供了新的路径。研究中发现，无人机采集的航片普遍存在建筑透视问题，如AP软件在拼接过程中会出现小范围的图像变形和缺失。因此，在今后的数据采集中建议以无人机拍摄的航片为基础，结合实地测绘、激光雷达测量等方式，来弥补航拍摄影测量时存在的误差，以获取村落更为准确的地理信息。