传统村落实景三维建模，看完就能上手！

本文利用无人机五镜头倾斜摄影系统配合完成了安徽省 13 个传统村落的数据采集，结合Context Capture Center处理终端，生成了.osgb格式的三维实景模型，完成了模型数据的发布，并最终嵌入到中国传统村落数字博物馆的网页中。

本文采用的技术方案适用于村落范围的模型构建，能够自动生产出空间分辨率高、拓扑关系良好、细节表现丰富的实景模型，对于中国传统村落数字博物馆的建设以及传统村落的小环境改造都能起到积极作用。

内容围绕以下四点展开：测区概述、数据采集方案、数据处理方案、应用价值。全文3345字，预计阅读时间9分钟。

目前，传统村落范畴内的实景模型研究还较少，原因主要有以下 4点：

• 数据采集有难度。村落内的道路网紧密且狭窄，倾斜摄影系统很难捕捉到建筑物的侧面纹理信息，加上植被的覆盖，增加了实景模型的重建难度
• 影响飞行安全因素多。传统村落的选址一般都依山傍水，天气与自然环境条件较为复杂，风切变和气压变化都会对飞行器的起降点、飞行高度以及航线造成影响；
• 技术规范不明确。三维实景模型的数据采集没有相关的规范；
• 交通可达性较差。许多传统村落坐落于偏远山区，车辆难以抵达，常常需要人力携带整套作业设备徒步前往。

基于此，本文以安徽省黄山市13个传统村落为研究区，验证无人机三维实景快速建模技术应用到传统村落数字博物馆建设的可行性。

试验区概述

本文以安徽省黄山市13个传统村落为研究区，既有入选世界文化遗产的西递村和宏村，也有一些如瀹坑村和汪村等不广为人知的村落。它们都是徽派建筑和徽州文化的突出代表，虽然在建筑手法和村落选址方面有许多相似之处，但是根据所处地理环境的不同，各村落之间也存在一些差异，这些差异主要表现在村落面积大小、地势起伏程度、村落整体形态、地物组成要素、建筑密集程度等5个方面，都在不同程度上影响实景模型前期的数据采集以及后期的数据处理。例如：

①瀹坑村和汪村两村被夹持在两条相邻的山脊之中，临近山脚处被高耸的树林植被所覆盖；

②尚村由于处在梯田之中，村落地势高差较大；

③渔梁村临近渔梁水库坝，水域面积相对其他村落较大；

所以：全面了解村落情况，优化数据采集方案是获取三维实景模型的前提

技术路线

▲图1 技术路线图

1 数据采集

1 作业准备

在进行数据采集前首先对整个村落完成现场踏勘和各种准备，包括起飞点的选择和空域申请，以及村落范围、村落形态、建筑密度、天气条件、安全飞行高度等因素及设备参数的确定。采集系统采用的是六旋翼无人机搭载五镜头。

2 航线规划

航线规划无论是对于前期的数据采集还是后期的数据处理都有很大的影响，可以说是三维实景建模的重中之重。高质量的航线规划不但可以节省外业采集数据的时间，而且还可以提高内业数据处理的效率。村落的边界一般为不规则多边形，在确定航线角度的时候应当保证整个村落都应该覆盖到，避免漏测情况的出现，另外，航线的角度尽量和当时的风向相同。

▲图 2 渔梁村部分航线规划

3 任务实施

将航线规划的参数输入到地面站中，再通过地面站将飞行任务上传到飞行器的飞控端。飞行器启动后会按照之前设定好的飞行路线进行自主飞行，任务完成后飞行器会自动返航。飞行器的自主飞行阶段一般不需要人工干预即可完成。经过对13个村子的多次飞行发现，有多个因素会直接影响飞行器的飞行安全：

• 距离因素。飞行器起飞点的选择应当尽可能地靠近设定航线的起始点，保证在视距范围内（小于500m）。
• 天气因素。本次工作进行数据采集的时间为 2月，正值雨季，山区的天气变化无常。在下雨之前会有积雨云迅速汇聚，并伴有大风。此时，气压降低，空气密度减小，飞行高度会有所降低。因此随时都会注意风力的变化情况，由于本次所用飞行器的抗风等级为7级，当遇到恶劣天气时就会中止飞行任务并降落。待天气转晴后利用断点续飞功能再完成剩余的航线。
• 飞行监视。飞行器在作业时，操作人员始终位于高地开阔处，避开地面站与飞行器之间的障碍物，保证了二者之间通讯正常；并全程监视飞行器的飞行参数，确保飞行安全。

2 质量控制

质量控制主要是检验数据的可靠性，判断是否可以保证数据处理的完成。主要包括4个方面：

• 丢片检查。对比触发曝光数与数据存储中的照片数是否相同。
• 定位数据检查。检查每个曝光点的定位是否正确，全程卫星信号是否正常。
• 照片清晰度检查。检查照片是否有模糊情况出现。
• 照片重叠度检查。实际飞行中减产照片的航向与旁向重叠率是否在预设范围内。

3 数据处理

1 数据预处理

数据预处理主要是制作Context Capture软件可以识别的BLOCK文件。BLOCK文件中包含照片的位置信息+存储路径以及相机的详细参数等。首先，批量录入每张照片的组号、文件名、存储路径等信息；然后，导入倾斜摄影系统内部的GPS文件，该文件包含每张照片的经纬度和相对高程信息；最后，录入相机的CMOS 尺寸、焦距、照片像素值以及检校信息，正常保存后用于下一步的空三解算。

2 空三解算

空三解算通过提取每张照片的特征点，进行特征点匹配形成照片之间的连接点，最终通过联合约束平差获取每张照片拍摄时的姿态角，获得点云。

▲表 1 龙川村空三解算结果报告

龙川村共采集影像13450 张，其中有效影像为13316张。从表2可以看出，空三计算之后，获得到的连接点数为220409个，反投影中误差为0.61像素，反投影标准差为0.79像素，地面点到摄站点距离标准差为0.0221m，结果良好。

3 重建模型

重建模型是对空三解算获取到的点云进行加密构建三角网，并将纹理准确映射在其上的过程，包括坐标设定、重建范围、瓦片分割、三维重建和成果输出几个步骤。图 3（a）-（c）为龙川村在Context Capture中重建模型的流程，分别是空三解算、重建模型以及模型成果。模型重建时，空间参考坐标系选择为站心坐标系。重建范围为之前在Google Earth上设定好的.kml文件，将其导入至该菜单下即可使用；瓦片的分割方式为均分，每个瓦片大小为 100m，共计 71个瓦片。

▲图 3重建模型流程（龙川村）

4 数据发布与共享

将生产出来的实景模型数据进行压缩后上传到了三维实景模型云平台，完成了模型数据的发布。模型数据包含2个部分：.osgb格式的模型数据文件和地理坐标信息(metadata)数据。将模型上传到云平台后，可以通过扫描二维码或链接的方式实现与公众的共享，还可以通过调用模型窗口代码将模型窗口嵌入到中国传统村落数字博物馆的网页之中，以三维的视角让公众更直观地了解传统村落的建筑风貌以及村落形态。

图 4为中国传统村落数字博物馆唐模村中三维实景模型的窗口，村落模型中加入了多个热点标注，标注有文字、图片、视频、全景影像等多种形式。浏览者除了能利用常规方式来了解该村落之外，还可以通过三维实景模型来全方位地了解该村落的历史建筑以及村落格局。另外规划设计人员还可以通过模型完成村落某些建筑或地块的实际尺寸量测，让设计人员能够更直观地把握空间尺度，完成与该尺度匹配的环境改造方案，起到辅助设计的作用。

▲图4 唐模村数字博物馆三维实景模型窗口

艾三维技术信息技术有限公司，公司总部位于广州，致力于BIM咨询、BIM招投标、BIM碰撞检测、BIM施工全周期等领域，为客户提供从软件、企业培训、设计、咨询到工程实施的、运维生命全周期BIM解决方案。艾三维技术集团旗下艾三维BIM的建筑模型团队最早在2008年组建，业务范围覆盖全国，上千家央企成功案例,以专业的BIM技术、最全的基础设施工程BIM软件闻名中国市场。