王策 荀子航 陳祖滔 王楠楠 王慶春

[摘要]以黑龍江省同江市赫哲族為例，研究了少數(shù)民族特色建筑的無人機(jī)快速三維數(shù)字建模，重點(diǎn)研究了模型制作流程及模型優(yōu)化方法。首先設(shè)置無人機(jī)航拍路徑，通過無人機(jī)拍攝圖像，獲取多角度的傾斜攝影數(shù)據(jù)圖像，并對圖像進(jìn)行算法處理，計(jì)算出準(zhǔn)確的地物坐標(biāo)，達(dá)到快速精確建立民族地區(qū)特色建筑的三維實(shí)景模型的目的，并通過后期處理技術(shù)對生成的三維模型加以修復(fù)，刪除多余的物體，并完善模型細(xì)節(jié)構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)民族地區(qū)特色建筑的數(shù)字重建，達(dá)到對這些珍貴文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)的目的。

[關(guān)鍵詞]快速建模；少數(shù)民族建筑；數(shù)字化保護(hù)；無人機(jī) 文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0026 - 04

隨著社會文化建設(shè)重要性的逐步提高，具有民族特色和歷史傳統(tǒng)的建筑文化保護(hù)也越發(fā)被重視。保護(hù)中國民族歷史建筑也是對世界和人類寶貴建筑文化的貢獻(xiàn)。赫哲族作為中國“六小”民族之一，是中國東北地區(qū)有著悠久歷史的極少數(shù)民族。如今赫哲族主要分布地位于黑龍江、松花江、烏蘇里江三江交匯處的三江平原和完達(dá)山余脈。赫哲族人口稀少，且擅長漁獵，房屋一般位于沿江的高地，流動性強(qiáng)，便于隨時(shí)遷移搭蓋。2010年第六次全國人口普查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，赫哲族人口數(shù)僅為5354人，因此對其民族的特色建筑的保護(hù)重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本項(xiàng)目的試點(diǎn)地區(qū)黑龍江省同江市位于黑龍江省東北部松花江與黑龍江兩江交匯處南岸，正是赫哲族的主要聚居地，同時(shí)也是赫哲族歷史文化的展示窗口。

1 赫哲族建筑快速建模的主要技術(shù)路線

赫哲族民族建筑的三維模型一般分為傳統(tǒng)建模和無人機(jī)快速建模兩種。傳統(tǒng)建模需要人工采集數(shù)據(jù)、圖像并進(jìn)行后期處理，應(yīng)用3D MAX等軟件建立三維模型；無人機(jī)快速建模技術(shù)則通過操控?zé)o人機(jī)拍攝傾斜攝影圖像，再使用實(shí)景建模軟件BentleyContextcapture快速生成數(shù)字化模型。

1.1傳統(tǒng)三維模型制作技術(shù)

傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)主要分三個(gè)步驟完成，具體流程見圖1。

（1）數(shù)據(jù)的收集與分析少數(shù)民族特色建筑相關(guān)資料的收集工作主要針對其歷史文化背景、地理人文環(huán)境、發(fā)展歷程等進(jìn)行調(diào)查了解。一般做法是去當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)查，采訪當(dāng)?shù)氐脑用窕蛳嚓P(guān)人物，通過拍照、錄音、錄像等方式記錄重要信息，再通過上網(wǎng)查詢相關(guān)文獻(xiàn)資料，二者結(jié)合對收集的資料進(jìn)行整理分析，以此達(dá)到更充分全面了解少數(shù)民族特色建筑的背景和內(nèi)涵的目的。同時(shí)獲得的圖文信息可以作為后期交流展示的圖文素材。

（2）資料采集資料采集工作一般通過實(shí)地測量完成。實(shí)地測量指到少數(shù)民族特色建筑所在地進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測量。其目的是得到更精準(zhǔn)的民族建筑的原始數(shù)據(jù)，從而更準(zhǔn)確地復(fù)原少數(shù)民族建筑的原貌。其中建筑外部和內(nèi)部的尺寸數(shù)據(jù)是測量的重點(diǎn)。通過具體尺寸數(shù)據(jù)使用CAD軟件詳細(xì)繪制出建筑的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并繪制出建筑的正面結(jié)構(gòu)圖、側(cè)面結(jié)構(gòu)圖和底面結(jié)構(gòu)圖。除此之外，還需要對少數(shù)民族建筑周邊的地形地貌及綠化情況做相應(yīng)的測量。

（3）整體處理需要處理的數(shù)據(jù)包括：航拍資料、地形圖資料、實(shí)地測量數(shù)據(jù)等。通過多次試驗(yàn)、檢測對數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析，以保證合理充分利用各種已有資料。其中最重要的即為三維模型的建立，少數(shù)民族特色建筑的三維模型的建立一般使用3DMAX軟件，模型的貼圖需要使用專業(yè)的圖形圖像處理軟件photoshop。

1.2無人機(jī)快速建模技術(shù)

無人機(jī)快速建模主要應(yīng)用的是傾斜攝影技術(shù)[1]。傾斜攝影技術(shù)是近年來國際測繪領(lǐng)域興起的一門技術(shù)。在傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過飛行平臺搭載多臺航攝儀器和相應(yīng)的優(yōu)化空間算法完成了對傾斜影像與正射影像的融合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只有正攝影像的不足。無人機(jī)采集圖像如圖1所示，其原理是通過傾斜攝影的方式獲取地物各個(gè)角度的物理特性與幾何特性。技術(shù)示意圖（如圖2）再通過立體攝影測量的方法，根據(jù)拍攝所得影像的像點(diǎn)坐標(biāo)求解出對應(yīng)的地物點(diǎn)空間坐標(biāo)，并通過三角構(gòu)網(wǎng)的方式，由點(diǎn)連線，然后構(gòu)成面，形成一個(gè)有三角網(wǎng)構(gòu)成的三維場景[2]。

少數(shù)民族特色建筑數(shù)字化保護(hù)建模的主要問題集中于：數(shù)據(jù)采集工作任務(wù)量大、拍攝的影像容易存在缺失、曝光過度等問題。后期建模也只能依靠前人經(jīng)驗(yàn)和僅有資料分析建筑的細(xì)部構(gòu)造。并且由于拍攝角度單一，建模時(shí)往往很難精細(xì)建造屋頂房梁的細(xì)部構(gòu)造，照片的拍攝順序也不一定符合建模的觀察習(xí)慣，拍攝圖像傾斜度不同，也加大了紋理貼圖的制作難度。且存在照片順序混亂、照片曝光度不一的問題，浪費(fèi)了很多建模時(shí)間和紋理貼圖的時(shí)間。 傾斜攝影技術(shù)通過獲取多方位視角影像，從而獲取所攝物體三維信息，相比傳統(tǒng)三維建模方式可以更為快捷的獲取建筑物全方位紋理信息，通過數(shù)據(jù)計(jì)算處理能夠準(zhǔn)確生成三維模型[3]。此外近年來無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，也由此誕生了很多相關(guān)軟件如Bentley Contextcapture、Altizure等。多方面綜合看來，無人機(jī)快速建模技術(shù)在民族建筑數(shù)字化保護(hù)方面具有極大的優(yōu)勢。

1.3 無人機(jī)快速建模技術(shù)的方案設(shè)計(jì)

（1）無人機(jī)飛行設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)劃位置的地理信息對飛行軌跡及鏡頭角度進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，項(xiàng)目成員到達(dá)黑龍江省同江市八岔赫哲族鄉(xiāng)后，根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、天氣（是否多云、有雨等）對實(shí)際飛行軌跡進(jìn)行優(yōu)化，保證拍攝影像清晰準(zhǔn)確，并結(jié)合GPS84校核位置信息后進(jìn)行拍攝。根據(jù)實(shí)際情況首先選擇較為安全的地形區(qū)域進(jìn)行試飛，確認(rèn)無人機(jī)信號良好的安全距離。考慮到同江市八岔赫哲族鄉(xiāng)臨近中俄邊境，因此采用Altizure結(jié)合手動校準(zhǔn)飛行，確保了飛行安全。拍攝過程中因信號弱等問題，對地塊實(shí)時(shí)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，針對部分區(qū)域進(jìn)行多次掃描，其他區(qū)域手動飛行，后期根據(jù)情況進(jìn)行影像手動補(bǔ)拍[4]。

（2）圖像處理無人機(jī)影像初步設(shè)計(jì)拍攝150張左右（全區(qū)域垂直30，南北向傾斜50，東西向傾斜50，補(bǔ)拍20張左右），記錄各影像拍攝位置信息，后期處理中應(yīng)對影像中出現(xiàn)的活動物（鳥、汽車、人等）進(jìn)行刪除或修改，以免影響生成模型準(zhǔn)確性具體。影像處理完成后應(yīng)對影像和拍攝點(diǎn)位置信息進(jìn)行匹配，使用ContextCapture進(jìn)行粗差校核修改，生成位置點(diǎn)自由網(wǎng)，根據(jù)生成結(jié)果判斷是否需要進(jìn)一步修改操作，若確認(rèn)影像控制位置無誤后，開始模型第一次試生成。

（3）無人機(jī)圖像采集十月初項(xiàng)目組成員使用大疆無人機(jī)對同江市八岔赫哲族鄉(xiāng)進(jìn)行了無人機(jī)拍攝，取得照片一百余張，并記錄全部拍攝位置GBS信息，采用傾斜攝影通用拍攝角度進(jìn)行拍攝，照片完整，實(shí)時(shí)生成模型如圖3所示。

2 基于赫哲族的三維實(shí)景建模技術(shù)

2.1 赫哲族建筑圖像數(shù)據(jù)采集

本文以同江市赫哲族民族建筑為例，該地區(qū)位于黑龍江、松花江、烏蘇里江三江交匯處的三江平原和完達(dá)山余脈，山地丘陵少，平原低地多。選取“大疆悟INSPIRE l Pro”無人機(jī)，并使用Bentley Alti-zure軟件獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)圖像。關(guān)鍵技術(shù)為圖像采集分析、航拍操作路徑與角度、拍攝時(shí)間及天氣等。

為了避免Bentley Altizure后期生成模型的不完整，航拍照片不應(yīng)出現(xiàn)過明、過暗的情況，因此應(yīng)選擇光線充足時(shí)進(jìn)行航拍，黎明、黃昏、陰天均不適合收集圖像。本次飛行任務(wù)選擇航拍時(shí)間為正午12點(diǎn)，采集的圖像清晰無陰影，絕大部分均可用。

無人機(jī)的飛行受高度和區(qū)域的限制。在Bent-ley Altizure軟件操作中，飛機(jī)固件的限制任務(wù)最高可設(shè)置為500m，超過限度飛機(jī)將無法起飛。若執(zhí)行超過120m的任務(wù)，需重新調(diào)整飛行高度限制。無人機(jī)的矩形區(qū)域的邊長不能超過2km。在此次赫哲族民建的飛行任務(wù)中，設(shè)定“大疆悟INSPIRE 1Pro”無人機(jī)的飛行高度為70m，飛行區(qū)域?yàn)?00m。具體拍攝路徑如圖4所示，路徑垂直于采集地進(jìn)行一次采集，傾斜于采集地進(jìn)行二次采集，選取五個(gè)拍攝角度：俯拍和與豎直方向成400的四個(gè)方向來采集傾斜攝影圖像。Altizure軟件采集的流程全自動化。設(shè)定完成后，飛行器自動起飛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，飛行途中自動拍照。在采集路線完成或者飛機(jī)電量即將耗盡的時(shí)候，飛機(jī)會自動返航降落在起飛的位置。

Bentley Altizure軟件與其他操控?zé)o人機(jī)的軟件相比，采取流程全自動化，簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，可為無人機(jī)采集影像這一關(guān)鍵技術(shù)節(jié)省大量時(shí)間。

2.2無人機(jī)快速建模的技術(shù)研究

在圖像采集及選取完成后，選用實(shí)景建模軟件Bentley ContextCapture將航拍圖像快速生成高分辨率的三維模型。使用Bentley ContextCapture軟件的優(yōu)勢在于相對于傳統(tǒng)建模方式省去了建模的時(shí)間以及紋理貼圖的步驟，同時(shí)ContextCapture與Altizure出自同一家公司，避免了格式不兼容的情況。

ContextCapture建模技術(shù)操作簡單，自動化生成模型，在快速建模的基礎(chǔ)上提供了3D網(wǎng)格創(chuàng)建和優(yōu)化；高品質(zhì)的紋理映射與最優(yōu)的空中精度；高性能多核支持和優(yōu)化使用的通用圖形處理單元；廣泛的可擴(kuò)展性，保證高質(zhì)量建模標(biāo)準(zhǔn)并降低硬件要求。使傳統(tǒng)數(shù)字漫游制作的優(yōu)化升級，大大縮短建模時(shí)間。本項(xiàng)目的研究可以為民族建筑數(shù)字化保護(hù)提供分析案例及指導(dǎo)方法，便于無人機(jī)三維實(shí)景建模技術(shù)在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

實(shí)景建模軟件Bentley Contextcapture操作簡單快捷，如圖4所示是Bentley Contextcapture在進(jìn)行赫哲族民建數(shù)字化保護(hù)中的簡易操作流程圖，其中對圖像選取、控制點(diǎn)選項(xiàng)和位置參數(shù)的設(shè)置技術(shù)可達(dá)到優(yōu)化模型與詳細(xì)記錄參數(shù)的目的。

（1）圖像選取航拍圖像自動生成高分辨率三維模型的前提是要保證照片為原始照片，在赫哲族民建飛行任務(wù)中選取300余張可用圖像，確保圖像包含所選區(qū)域的每一個(gè)角度，明暗差別較小。圖像讀取后生成詳細(xì)的現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格。確保了高度詳細(xì)的三維模型細(xì)節(jié)細(xì)膩逼真、緣鋒利和幾何精度精確。實(shí)景建模軟件Bentley Context Capture不接收推掃式相機(jī)照片，全景式照片和經(jīng)過影像文字處理的照片。利用照片可以實(shí)現(xiàn)多種尺度下的物體三維建模、復(fù)雜地形、雕塑、城市部建、文物、街景甚至整個(gè)城市。項(xiàng)目無人機(jī)拍攝要求為連續(xù)拍攝，每張照片的內(nèi)容要與上一張照片的對比相同度達(dá)到700/0，保證該區(qū)域下物體的某一點(diǎn)在連續(xù)三張或三張以上的照片中都有，即可建模該點(diǎn)。

（2）控制點(diǎn)選項(xiàng)根據(jù)圖像生成模型之前，需要選擇航飛區(qū)域下的重要物體模型的控制點(diǎn)。在Control points界面下即可完成控制點(diǎn)與影像進(jìn)行人工選取操作和關(guān)聯(lián)。赫哲族民建模型的控制點(diǎn)集合包含3個(gè)及三個(gè)以上的控制點(diǎn)，紅色十字點(diǎn)為影像刺點(diǎn)，直接在數(shù)字影像上選點(diǎn)、標(biāo)記，標(biāo)示出刺點(diǎn)位置。且每一控制點(diǎn)均要求具有2張及兩張以上方可生成該點(diǎn)。通過RTK模式進(jìn)行觀測，可對像控點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行快捷測定。

2.3 三維實(shí)景模型優(yōu)化技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠獲取地面物體準(zhǔn)確的三維信息，提高了三維實(shí)景建模的效率，同時(shí)也促進(jìn)了對民族建筑的數(shù)字化管理。但此方法依然存在不足，對于同江市赫哲族地區(qū)少數(shù)民建保留的極其稀少，甚至倒塌殘破，并且Bentley Context Capture生成的三維模型為一個(gè)整體模型，不是獨(dú)立的個(gè)體。本項(xiàng)目在采集數(shù)據(jù)時(shí)，無人機(jī)傾斜攝影拍攝角度為從高空向下傾斜45。與垂直角度，此時(shí)拍攝物體低處會存在遮擋，房屋之間無法隔斷、道路之間無法劃分，因此需要人為進(jìn)行模型的后期處理及修復(fù)，將已生成的赫哲族民建模型按照必要性進(jìn)行優(yōu)化[5]和完整性修復(fù)。使用三維實(shí)景建模Bentley ContextCapture生成的模型可直接導(dǎo)入3D Studio Max軟件進(jìn)行優(yōu)化處理，而3D Studio Max軟件的功能齊全、擴(kuò)展性好、操作簡便、建模逼真，將這兩種建模方式加以融合，優(yōu)勢互補(bǔ)，可達(dá)到快速建立赫哲族民建模型的優(yōu)化及修復(fù)作用。

（1）模型優(yōu)化3D MAX在實(shí)景建模的局部要優(yōu)于Bentley Context Capture建模。但3dmax雖然可以更精細(xì)的建立模型的結(jié)構(gòu)與特征，但建模時(shí)間長，效率低，成本高。而運(yùn)用Bentley Context Capture自動建造赫哲族民建的模式，盡管建模速度快，精度高，但是自動構(gòu)建的民建模型存在一定的缺陷，更容易受各種外界因素影響。因此可以使用3D MAX通過三個(gè)途徑進(jìn)行模型優(yōu)化：刪除多余的不可見面片、面的修改以及建模時(shí)根據(jù)模型實(shí)際大小創(chuàng)建。建模時(shí)可以通過控制數(shù)據(jù)如：平鋪的UVW值、擠出模型的數(shù)值、位數(shù)等，提高建模時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率。

（2）貼圖優(yōu)化紋理貼圖包括頂部紋理貼圖和側(cè)面紋理貼圖，在本項(xiàng)目的研究中對于赫哲族民建的粗細(xì)建模區(qū)域，使用Bentley Context Capture對建模區(qū)域進(jìn)行紋理自動生成。對于民建的精細(xì)建模區(qū)域，側(cè)面紋理采用相機(jī)對建模區(qū)域進(jìn)行人工拍攝，并利用photoshop對影像進(jìn)行處理，使影像保證色彩、分辨率、曝光度、清晰度勻稱，再導(dǎo)入3dmax進(jìn)行人工批量貼圖。

（3）精細(xì)度優(yōu)化使用3D MAX進(jìn)行赫哲族民建模型場景的優(yōu)化時(shí)，模型的精細(xì)度不宜過高，否則系統(tǒng)后臺服務(wù)器會運(yùn)行緩慢。所以在建模時(shí)要充分把握模型的精細(xì)度。

3 赫哲族民建的地形漫游交互

Unity3D虛擬漫游利用三維實(shí)景建模軟件Bent-ley Context Capture與軟件3D Studio Max兩種建模方式相互融合后的技術(shù)，可快速生成并優(yōu)化復(fù)雜地形場景模型，直接導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景與復(fù)雜地形規(guī)劃設(shè)計(jì)場景的交互，并且可以直接使用網(wǎng)頁瀏覽，開發(fā)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，最大化實(shí)現(xiàn)模型的可視性[6]并以數(shù)字化的形式保存。

首先，獲取目的地形的相關(guān)地理信息，包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)，建筑物及其周圍地形地貌環(huán)境，包括山、水、花、草的矢量數(shù)據(jù)和地理坐標(biāo)。接下來，將生成的模型導(dǎo)人Unity3D平臺虛擬漫游系統(tǒng)，添加燈光效果，構(gòu)建三維場景，音頻，物理碰撞等，赫哲族建筑數(shù)字化漫游如圖5。

最后，場景構(gòu)建完畢，還需人為添加系統(tǒng)交互，進(jìn)行系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括角色漫游行走的交互和界面場景的交互，完成后需要進(jìn)行性能測試，最終生成文件格式，可直接用網(wǎng)頁瀏覽，建立地形地貌數(shù)據(jù)庫的技術(shù)核心。

4 結(jié)語

論文從運(yùn)用Altizure操作無人機(jī)拍攝圖像、應(yīng)用Bentley Context Capture快速建立模型及3d max對模型的后期處理使模型更加精細(xì)，再使用Unity3D建立數(shù)字化漫游幾個(gè)方面，完整的論述了將無人機(jī)快速建模技術(shù)應(yīng)用于民族建筑數(shù)字化保護(hù)中有很好的作用，不僅為無人機(jī)快速建模技術(shù)開辟了新的使用空間，還優(yōu)化了傳統(tǒng)建模方式，真正達(dá)到了保護(hù)少數(shù)民族建筑的目的。

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