论文无人机快速建模技术在民族建筑保护中的应用，该文是关于民族建筑方面专升本毕业论文范文与无人机和建模和民族方面研究生毕业论文范文.
[摘 要]以黑龙江省同江市赫哲族为例,研究了少数民族特色建筑的无人机快速三维数字建模,重点研究了模型制作流程及模型优化方法.首先设置无人机航拍路径,通过无人机拍摄图像,获取多角度的倾斜摄影数据图像,并对图像进行算法处理,计算出准确的地物坐标,达到快速精确建立民族地区特色建筑的三维实景模型的目的,并通过后期处理技术对生成的三维模型加以修复,删除多余的物体,并完善模型细节构造,实现民族地区特色建筑的数字重建,达到对这些珍贵文化遗产进行数字化保护的目的.
[关键词]快速建模；少数民族建筑；数字化保护；无人机 文章编号：2095 - 4085( 2018) 08 - 0026 - 04
随着社会文化建设重要性的逐步提高,具有民族特色和历史传统的建筑文化保护也越发被重视.保护中国民族历史建筑也是对世界和人类宝贵建筑文化的贡献.赫哲族作为中国“六小”民族之一,是中国东北地区有着悠久历史的极少数民族.如今赫哲族主要分布地位于黑龙江、松花江、乌苏里江三江交汇处的三江平原和完达山余脉.赫哲族人口稀少,且擅长渔猎,房屋一般位于沿江的高地,流动性强,便于随时迁移搭盖.2010年第六次全国人口普查的统计数据显示,赫哲族人口数仅为5354人,因此对其民族的特色建筑的保护重视程度远远不够.本项目的试点地区黑龙江省同江市位于黑龙江省东北部松花江与黑龙江两江交汇处南岸,正是赫哲族的主要聚居地,同时也是赫哲族历史文化的展示窗口.
1 赫哲族建筑快速建模的主要技术路线
赫哲族民族建筑的三维模型一般分为传统建模和无人机快速建模两种.传统建模需要人工采集数据、图像并进行后期处理,应用3D MAX等软件建立三维模型；无人机快速建模技术则通过操控无人机拍摄倾斜摄影图像,再使用实景建模软件BentleyContextcapture快速生成数字化模型.
1.1传统三维模型制作技术
传统的三维建模技术主要分三个步骤完成,具体流程见图1.
(1)数据的收集与分析少数民族特色建筑相关资料的收集工作主要针对其历史文化背景、地理人文环境、发展历程等进行调查了解.一般做法是去当地进行调查,采访当地的原著居民或相关人物,通过拍照、录音、录像等方式记录重要信息,再通过上网查询相关文献资料,二者结合对收集的资料进行整理分析,以此达到更充分全面了解少数民族特色建筑的背景和内涵的目的.同时获得的图文信息可以作为后期交流展示的图文素材.
(2)资料采集资料采集工作一般通过实地测量完成.实地测量指到少数民族特色建筑所在地进行各项数据的测量.其目的是得到更精准的民族建筑的原始数据,从而更准确地复原少数民族建筑的原貌.其中建筑外部和内部的尺寸数据是测量的重点.通过具体尺寸数据使用CAD软件详细绘制出建筑的外部和内部结构,并绘制出建筑的正面结构图、侧面结构图和底面结构图.除此之外,还需要对少数民族建筑周边的地形地貌及绿化情况做相应的测量.
(3)整体处理需要处理的数据包括：航拍资料、地形图资料、实地测量数据等.通过多次试验、检测对数据进行认真分析,以保证合理充分利用各种已有资料.其中最重要的即为三维模型的建立,少数民族特色建筑的三维模型的建立一般使用3DMAX软件,模型的贴图需要使用专业的图形图像处理软件photoshop.
1.2无人机快速建模技术
无人机快速建模主要应用的是倾斜摄影技术.倾斜摄影技术是近年来国际测绘领域兴起的一门技术.在传统航空摄影技术的基础上,通过飞行平台搭载多台航摄仪器和相应的优化空间算法完成了对倾斜影像与正射影像的融合,弥补了传统航空摄影技术只有正摄影像的不足.无人机采集图像如图1所示,其原理是通过倾斜摄影的方式获取地物各个角度的物理特性与几何特性.技术示意图（如图2）再通过立体摄影测量的方法,根据拍摄所得影像的像点坐标求解出对应的地物点空间坐标,并通过三角构网的方式,由点连线,然后构成面,形成一个有三角网构成的三维场景.
少数民族特色建筑数字化保护建模的主要问题集中于：数据采集工作任务量大、拍摄的影像容易存在缺失、过度等问题.后期建模也只能依靠前人经验和仅有资料分析建筑的细部构造.并且由于拍摄角度单一,建模时往往很难精细建造屋顶房梁的细部构造,照片的拍摄顺序也不一定符合建模的观察习惯,拍摄图像倾斜度不同,也加大了纹理贴图的制作难度.且存在照片顺序混乱、照片度不一的问题,浪费了很多建模时间和纹理贴图的时间.
倾斜摄影技术通过获取多方位视角影像,从而获取所摄物体三维信息,相比传统三维建模方式可以更为快捷的获取建筑物全方位纹理信息,通过数据计算处理能够准确生成三维模型口1.此外近年来无人机技术发展迅速,也由此诞生了很多相关软件如Bentley Contextcapture、Altizure等.多方面综合看来,无人机快速建模技术在民族建筑数字化保护方面具有极大的优势.
1.3 无人机快速建模技术的方案设计
(1)无人机飞行设计根据规划位置的地理信息对飞行轨迹及镜头角度进行规划设计,项目成员到达黑龙江省同江市八岔赫哲族乡后,根据当地风速、天气（是否多云、有雨等）对实际飞行轨迹进行优化,保证拍摄影像清晰准确,并结合GPS84校核位置信息后进行拍摄.根据实际情况首先选择较为安全的地形区域进行试飞,确认无人机信号良好的安全距离.考虑到同江市八岔赫哲族乡临近中俄边境,因此采用Altizure结合手动校准飞行,确保了飞行安全.拍摄过程中因信号弱等问题,对地块实时进行修改设计,针对部分区域进行多次扫描,其他区域手动飞行,后期根据情况进行影像手动补拍.
(2)图像处理无人机影像初步设计拍摄150张左右（全区域垂直30,南北向倾斜50,东西向倾斜50,补拍20张左右）,记录各影像拍摄位置信息,后期处理中应对影像中出现的活动物（鸟、汽车、人等）进行删除或修改,以免影响生成模型准确性具体.影像处理完成后应对影像和拍摄点位置信息进行匹配,使用ContextCapture进行粗差校核修改,生成位置点自由网,根据生成结果判断是否需要进一步修改操作,若确认影像控制位置无误后,开始模型第一次试生成.
(3)无人机图像采集十月初项目组成员使用大疆无人机对同江市八岔赫哲族乡进行了无人机拍摄,取得照片一百余张,并记录全部拍摄位置GBS信息,采用倾斜摄影通用拍摄角度进行拍摄,照片完整,实时生成模型如图3所示.
2基于赫哲族的三维实景建模技术
2.1 赫哲族建筑图像数据采集
本文以同江市赫哲族民族建筑为例,该地区位于黑龙江、松花江、乌苏里江三江交汇处的三江平原和完达山余脉,山地丘陵少,平原低地多.选取“大疆悟INSPIRE 1 Pro”无人机,并使用Bentley Alti-zure软件获取倾斜摄影数据图像.关键技术为图像采集分析、航拍操作路径与角度、拍摄时间及天气等.
为了避免Bentley Altizure后期生成模型的不完整,航拍照片不应出现过明、过暗的情况,因此应选择光线充足时进行航拍,黎明、黄昏、阴天均不适合收集图像.本次飞行任务选择航拍时间为正午12点,采集的图像清晰无阴影,绝大部分均可用.
无人机的飞行受高度和区域的限制.在Bent-ley Altizure软件操作中,飞机固件的限制任务最高可设置为500m,超过限度飞机将无法起飞.若执行超过120m的任务,需重新调整飞行高度限制.无人机的矩形区域的边长不能超过2km.在此次赫哲族民建的飞行任务中,设定“大疆悟INSPIRE 1Pro”无人机的飞行高度为70m,飞行区域为800m.具体拍摄路径如图4所示,路径垂直于采集地进行一次采集,倾斜于采集地进行二次采集,选取五个拍摄角度：俯拍和与竖直方向成40.的四个方向来采集倾斜摄影图像.Altizure软件采集的流程全自动化.设定完成后,飞行器自动起飞进行数据采集,飞行途中自动拍照.在采集路线完成或者飞机电量即将耗尽的时候,飞机会自动返航降落在起飞的位置.
Bentley Altizure软件与其他操控无人机的软件相比,采取流程全自动化,简单快捷,实用性强,可为无人机采集影像这一关键技术节省大量时间.
2.2无人机快速建模的技术研究
在图像采集及选取完成后,选用实景建模软件Bentley ContextCapture将航拍图像快速生成高分辨率的三维模型.使用Bentley ContextCapture软件的优势在于相对于传统建模方式省去了建模的时间以及纹理贴图的步骤,同时ContextCapture与Altizure出自同一家公司,避免了格式不兼容的情况.
ContextCapture建模技术操作简单,自动化生成模型,在快速建模的基础上提供了3D网格创建和优化；高品质的纹理映射与最优的空中精度；高性能多核支持和优化使用的通用图形处理单元；广泛的可扩展性,保证高质量建模标准并降低硬件要求.使传统数字漫游制作的优化升级,大大缩短建模时间.本项目的研究可以为民族建筑数字化保护提供分析案例及指导方法,便于无人机三维实景建模技术在其他领域的广泛应用.
实景建模软件Bentley Contextcapture操作简单快捷,如图4所示是Bentley Contextcapture在进行赫哲族民建数字化保护中的简易操作流程图,其中对图像选取、控制点选项和位置参数的设置技术可达到优化模型与详细记录参数的目的.
(1)图像选取航拍图像自动生成高分辨率三维模型的前提是要保证照片为原始照片,在赫哲族民建飞行任务中选取300余张可用图像,确保图像包含所选区域的每一个角度,明暗差别较小.图像读取后生成详细的现实网格.确保了高度详细的三维模型细节细腻逼真、缘锋利和几何精度精确.实景建模软件Bentley Context Capture不接收推扫式相机照片,全景式照片和经过影像文字处理的照片.利用照片可以实现多种尺度下的物体三维建模、复杂地形、雕塑、城市部建、文物、街景甚至整个城市.项目无人机拍摄要求为连续拍摄,每张照片的内容要与上一张照片的对比相同度达到70 010,保证该区域下物体的某一点在连续三张或三张以上的照片中都有,即可建模该点.
(2)控制点选项根据图像生成模型之前,需要选择航飞区域下的重要物体模型的控制点.在Control points界面下即可完成控制点与影像进行人工选取操作和关联.赫哲族民建模型的控制点集合包含3个及三个以上的控制点,红色十字点为影像刺点,直接在数字影像上选点、标记,标示出刺点位置.且每一控制点均要求具有2张及两张以上方可生成该点.通过RTK模式进行观测,可对像控点的三维坐标进行快捷测定.
2.3 三维实景模型优化技术
无人机倾斜摄影测量技术能够获取地面物体准确的三维信息,提高了三维实景建模的效率,同时也促进了对民族建筑的数字化管理.但此方法依然存在不足,对于同江市赫哲族地区少数民建保留的极其稀少,甚至倒塌残破,并且Bentley Context Capture生成的三维模型为一个整体模型,不是独立的个体.本项目在采集数据时,无人机倾斜摄影拍摄角度为从高空向下倾斜45.与垂直角度,此时拍摄物体低处会存在遮挡,房屋之间无法隔断、道路之间无法划分,因此需要人为进行模型的后期处理及修复,将已生成的赫哲族民建模型按照必要性进行优化和完整性修复.使用三维实景建模Bentley ContextCapture生成的模型可直接导入3D Studio Max软件进行优化处理,而3D Studio Max软件的功能齐全、扩展性好、操作简便、建模逼真,将这两种建模方式加以融合,优势互补,可达到快速建立赫哲族民建模型的优化及修复作用.
(1)模型优化3D MAX在实景建模的局部要优于Bentley Context Capture建模.但3dmax虽然可以更精细的建立模型的结构与特征,但建模时间长,效率低,成本高.而运用Bentley Context Capture自动建造赫哲族民建的模式,尽管建模速度快,精度高,但是自动构建的民建模型存在一定的缺陷,更容易受各种外界因素影响.因此可以使用3D MAX通过三个途径进行模型优化：删除多余的不可见面片、面的修改以及建模时根据模型实际大小创建.建模时可以通过控制数据如：平铺的UVW值、挤出模型的数值、位数等,提高建模时计算机的运行效率.
(2)贴图优化纹理贴图包括顶部纹理贴图和侧面纹理贴图,在本项目的研究中对于赫哲族民建的粗细建模区域,使用Bentley Context Capture对建模区域进行纹理自动生成.对于民建的精细建模区域,侧面纹理采用相机对建模区域进行人工拍摄,并利用photoshop对影像进行处理,使影像保证色彩、分辨率、度、清晰度匀称,再导人3dmax进行人工批量贴图.
(3)精细度优化使用3D MAX进行赫哲族民建模型场景的优化时,模型的精细度不宜过高,否则系统后台服务器会运行缓慢.所以在建模时要充分把握模型的精细度.
3 赫哲族民建的地形漫游交互
Unity3D虚拟漫游利用三维实景建模软件Bent-ley Context Capture与软件3D Studio Max两种建模方式相互融合后的技术,可快速生成并优化复杂地形场景模型,直接导入Unity3 D,实现三维虚拟场景与复杂地形规划设计场景的交互,并且可以直接使用网页浏览,开发效率高,运行稳定,最大化实现模型的可视性.并以数字化的形式保存.
首先,获取目的地形的相关地理信息,包括数字高程数据,建筑物及其周围地形地貌环境,包括山、水、花、草的矢量数据和地理坐标.接下来,将生成的模型导人Unity3D平台虚拟漫游系统,添加灯光效果,构建三维场景,音频,物理碰撞等,赫哲族建筑数字化漫游如图5.
最后,场景构建完毕,还需人为添加系统交互,进行系统交互设计,内容包括角色漫游行走的交互和界面场景的交互,完成后需要进行性能测试,最终生成文件格式,可直接用网页浏览,建立地形地貌数据库的技术核心.
4结语
论文从运用Altizure操作无人机拍摄图像、应用Bentley Context Capture快速建立模型及3d max对模型的后期处理使模型更加精细,再使用Unity3D建立数字化漫游几个方面,完整的论述了将无人机快速建模技术应用于民族建筑数字化保护中有很好的作用,不仅为无人机快速建模技术开辟了新的使用空间,还优化了传统建模方式,真正达到了保护少数民族建筑的目的.
归纳上文,此文为关于无人机和建模和民族方面的民族建筑论文题目、论文提纲、民族建筑论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
参考文献：
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