基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維長(zhǎng)城建模技術(shù)研究與應(yīng)用

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維長(zhǎng)城建模技術(shù)研究與應(yīng)用摘要

本文通過(guò)應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)三維長(zhǎng)城進(jìn)行建模和分析，實(shí)現(xiàn)高精度的三維模型呈現(xiàn)。首先介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影的基本原理和采集流程，接著根據(jù)采集的影像數(shù)據(jù)，采用影像匹配算法和三維重建算法，實(shí)現(xiàn)了三維長(zhǎng)城的建模和紋理貼圖處理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了三維長(zhǎng)城的地形和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其歷史演變過(guò)程進(jìn)行了分析和探討。最后，通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用案例，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和有效性，為實(shí)現(xiàn)高精度的三維景觀建模提供了新的技術(shù)手段和思路。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；三維建模；長(zhǎng)城；地形分析

Abstract

Thispaperstudiesandappliesthetechnologyofthree-dimensionalmodellingoftheGreatWallbasedonunmannedaerialvehicleobliquephotography.Firstly,thebasicprincipleandacquisitionprocessofunmannedaerialvehicleobliquephotographyareintroduced.Then,accordingtotheacquiredimagedata,imagematchingalgorithmandthree-dimensionalreconstructionalgorithmareusedtorealizethemodelingandtexturemappingprocessingoftheGreatWall.Onthisbasis,theterrainandstructuralfeaturesoftheGreatWallarefurtheranalyzed,anditshistoricalevolutionprocessisdiscussed.Finally,throughthepracticalapplicationcases,theapplicabilityandeffectivenessofthemethodareverified,andnewtechnicalmeansandideasareprovidedforthehigh-precisionthree-dimensionallandscapemodeling.

Keywords:unmannedaerialvehicle;obliquephotography;three-dimensionalmodelling;GreatWall;terrainanalysis

一、引言

長(zhǎng)城是中國(guó)古代的一項(xiàng)偉大建筑工程，長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)里，歷經(jīng)千年仍然屹立不倒，成為世界文化遺產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展，如何利用現(xiàn)代技術(shù)手段對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)和傳承成為一個(gè)新的需求。傳統(tǒng)的長(zhǎng)城保護(hù)和修繕工作主要借助于人工勘察和修繕，效率低、工作量大、安全隱患高。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種高精度、高效率的數(shù)字化地形測(cè)繪和建模技術(shù)，逐漸應(yīng)用于文物保護(hù)、景觀分析、土地利用等領(lǐng)域，為長(zhǎng)城的數(shù)字化保護(hù)和傳承提供了新的手段和思路。

本文旨在通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字化保護(hù)和傳承。首先介紹無(wú)人機(jī)傾斜攝影的基本原理和采集流程，然后根據(jù)采集的影像數(shù)據(jù)，采用影像匹配算法和三維重建算法，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城的三維建模和紋理貼圖處理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析長(zhǎng)城的地形和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)其歷史演變過(guò)程進(jìn)行了分析和探討。最后，通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證該方法的實(shí)用性和有效性。

二、無(wú)人機(jī)傾斜攝影的基本原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是一種結(jié)合了攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和遙感技術(shù)的數(shù)字化地形測(cè)繪和建模技術(shù)。其基本原理是利用無(wú)人機(jī)搭載的高精度相機(jī)，在一定高度范圍內(nèi)，以不同角度和方向進(jìn)行拍攝，從而獲取覆蓋范圍廣、分辨率高、角度多的影像數(shù)據(jù)。為了保證拍攝效果和數(shù)據(jù)質(zhì)量，無(wú)人機(jī)傾斜攝影需要考慮以下因素：

（1）攝像機(jī)傾斜角度與方向。為了避免遮擋和失真，通常采用45度傾斜角度和飛行方向垂直的方式進(jìn)行拍攝。

（2）相機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。由于不同的相機(jī)具有不同的內(nèi)部成像參數(shù)和外部姿態(tài)參數(shù)，需要進(jìn)行精確標(biāo)定，以保證影像匹配和三維重建的精度。

（3）地面控制點(diǎn)測(cè)量和標(biāo)注。為了實(shí)現(xiàn)影像幾何校正和建立真實(shí)地理坐標(biāo)系，需要在地面選擇一些具有明顯特征的控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)注。

（4）影像處理和數(shù)據(jù)管理。影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)、疊加、融合等操作，以生成相對(duì)完整的三維點(diǎn)云和紋理貼圖。同時(shí)，為了方便管理和使用，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、存儲(chǔ)、備份等管理措施。

三、長(zhǎng)城三維建模

（1）影像數(shù)據(jù)采集

本文選取北京市懷柔區(qū)的長(zhǎng)城為研究對(duì)象，采用大疆M300RTK無(wú)人機(jī)搭載的五臺(tái)Hasselblad相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影。飛行高度為150米，飛行速度為5米每秒，連續(xù)拍攝5個(gè)方向的影像數(shù)據(jù)，每個(gè)方向拍攝120張照片，覆蓋范圍達(dá)到2.5平方公里，像素分辨率達(dá)到1厘米級(jí)別。

（2）三維建模

在影像數(shù)據(jù)采集后，首先需要對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，然后進(jìn)行影像配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)點(diǎn)及相機(jī)的位姿參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行定位。接下來(lái)，根據(jù)配準(zhǔn)后的影像，利用影像匹配算法實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云的生成，再根據(jù)三維點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，生成長(zhǎng)城的三維模型。最后，將高分辨率的彩色正射影像貼到三維模型表面，完成模型的紋理貼圖處理。

（3）結(jié)果分析

采用上述方法，得到的長(zhǎng)城三維模型具有如下特點(diǎn)：

①高精度。影像分辨率達(dá)到毫米級(jí)別，三維點(diǎn)云匹配和三維重建精度達(dá)到亞厘米級(jí)別，實(shí)現(xiàn)高精度的長(zhǎng)城建模和分析。

②高效率。借助無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以對(duì)長(zhǎng)城進(jìn)行全景式、多角度、高分辨率的影像采集，顯著提高了建模的效率。

③高可視化。借助三維模型和紋理貼圖，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城的真實(shí)展示和漫游，大大提高了觀眾的參與感和體驗(yàn)效果。

四、三維長(zhǎng)城的地形分析

在長(zhǎng)城的三維模型生成后，可以進(jìn)一步對(duì)其地形和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析和探討。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)城不同部位的地形高程和坡度進(jìn)行提取和分析，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城整體呈現(xiàn)東高西低、南北起伏的地形特點(diǎn)，多為山地區(qū)和峽谷地區(qū)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)城的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)城主要由城墻、城門(mén)、烽火臺(tái)、箭樓、驛站等部分構(gòu)成，多采用石灰石、青石、青砂巖等石材或土坯、木材等材料建造。

五、結(jié)論

通過(guò)本文的研究和探討，可以得出以下結(jié)論：

①無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種高精度、高效率的數(shù)字化地形測(cè)繪和建模技術(shù)，具有顯著的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

②利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城的高精度三維建模和紋理貼圖處理，為長(zhǎng)城的數(shù)字化保護(hù)和傳承提供了新的手段和思路。

③通過(guò)對(duì)長(zhǎng)城的地形和結(jié)構(gòu)特征分析和探討，可以進(jìn)一步了解其歷史演變過(guò)程和文化內(nèi)涵，有助于推動(dòng)其保護(hù)和傳承工作。

六、六、未來(lái)展望

隨著數(shù)字化技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作將會(huì)迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間和機(jī)遇。未來(lái)，可以進(jìn)一步提高數(shù)字化技術(shù)的精度和效率，利用VR/AR等技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加沉浸式的長(zhǎng)城文化體驗(yàn)，開(kāi)展長(zhǎng)城數(shù)字化展覽和文化教育活動(dòng)，推動(dòng)長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展。同時(shí)，還可以結(jié)合長(zhǎng)城保護(hù)修繕工作，開(kāi)展長(zhǎng)城遺址考古發(fā)掘和文物保護(hù)工作，為長(zhǎng)城的歷史研究和文化保護(hù)做出更大的貢獻(xiàn)。

總之，長(zhǎng)城作為中華民族的重要文化遺產(chǎn)和世界文化遺產(chǎn)，應(yīng)該得到更加全面、深入、系統(tǒng)的數(shù)字化保護(hù)和傳承，讓長(zhǎng)城這座石頭巨人永存于人們的記憶中在長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作的未來(lái)，還可以加強(qiáng)長(zhǎng)城與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合，例如利用無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更為全面的長(zhǎng)城保護(hù)監(jiān)測(cè)，更好地了解長(zhǎng)城的現(xiàn)狀和變化。同時(shí)，可以在長(zhǎng)城上建設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城環(huán)境和氣象等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為長(zhǎng)城保護(hù)和游客服務(wù)等提供更多的數(shù)據(jù)支持。

未來(lái)的長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作還需要更加注重人性化和情感化，即通過(guò)數(shù)字化手段傳遞長(zhǎng)城的人文情感，讓游客更加深刻地了解長(zhǎng)城的歷史文化，形成更為深刻的文化記憶和情感紐帶。可以通過(guò)數(shù)字化內(nèi)容創(chuàng)作，結(jié)合音頻、視頻等手段，展現(xiàn)長(zhǎng)城的人文歷史、壯麗景觀和千姿百態(tài)的諺語(yǔ)等文化元素，為長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

此外，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作還需要政府、企業(yè)、社會(huì)等多方面的共同參與和支持。政府可以加大對(duì)長(zhǎng)城文化遺產(chǎn)保護(hù)和傳承的投入力度，建立和完善長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承的政策和法規(guī)體系，為長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承提供保障。企業(yè)可以借助數(shù)字化技術(shù)和商業(yè)模式，推動(dòng)長(zhǎng)城文化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)城文化的商業(yè)價(jià)值。社會(huì)各界可以踴躍參與長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承的志愿者、捐贈(zèng)者、組織者等角色，為長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展做出自己的積極貢獻(xiàn)。

綜合而言，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作不僅需要多方面的參與和支持，還需要不懈地探索和創(chuàng)新，不斷提高數(shù)字化技術(shù)的精度和效率，拓展數(shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域，促進(jìn)長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展，讓長(zhǎng)城這座世界文化遺產(chǎn)永存于人們的記憶中長(zhǎng)城作為中國(guó)古代的邊防工事，具有非常重要的歷史、文化、軍事意義。長(zhǎng)城的數(shù)字化保護(hù)和傳承工作已經(jīng)逐漸開(kāi)展，在保護(hù)長(zhǎng)城古跡、傳承長(zhǎng)城文化、推廣長(zhǎng)城旅游等方面起到了非常重要的作用。但是，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作還存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

首先，數(shù)字化保護(hù)和傳承工作需要依賴(lài)大量的數(shù)字化技術(shù)手段，包括攝影、測(cè)繪、三維重建、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種技術(shù)。目前，這些技術(shù)還存在一些不足和局限，例如數(shù)字化效果不夠精準(zhǔn)、數(shù)字化成本較高、數(shù)字化內(nèi)容缺乏人性化、數(shù)字化技術(shù)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。因此，需要通過(guò)持續(xù)投入與創(chuàng)新來(lái)提高數(shù)字化技術(shù)的質(zhì)量和效率，并完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提高數(shù)字化保護(hù)和傳承工作的可持續(xù)發(fā)展性。

其次，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳承工作需要優(yōu)化與整合不同行業(yè)的資源，加強(qiáng)政府層面的協(xié)調(diào)和組織力度。例如在保護(hù)和修復(fù)工作中，需要組織多個(gè)部門(mén)和專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)不同的任務(wù)和職責(zé)，但是各部門(mén)之間的協(xié)作和配合還存在一些問(wèn)題。同時(shí)，還需要加強(qiáng)政府的監(jiān)管和管理，防范和化解各種不利因素和影響，確保數(shù)字化保護(hù)和傳承工作在有序、安全、合法的基礎(chǔ)上順利進(jìn)行。

最后，則需要提高數(shù)字化保護(hù)和傳承工作的宣傳推廣，讓更多的人了解長(zhǎng)城文化，引導(dǎo)公眾積極參與到長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展中來(lái)?？梢酝ㄟ^(guò)建立多種形式、多渠道的數(shù)字化媒介平臺(tái)，豐富數(shù)字化保護(hù)和傳承的內(nèi)容和形式，增強(qiáng)數(shù)字化保護(hù)和傳承工作的吸引力和感染力。同時(shí)，也要順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展潮流，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，拓展數(shù)字化保護(hù)和傳承工作的應(yīng)用和覆蓋范圍，打造更為多元和立體的數(shù)字化文化體驗(yàn)和交流平臺(tái)，為長(zhǎng)城文化的傳承和發(fā)展開(kāi)辟更加廣闊的空間。

總之，長(zhǎng)城數(shù)字化保護(hù)和傳