关键词：三维可视化技术；乡村规划；乡村振兴；虚拟现实技术；倾斜摄影

党的二十大报告指出，全面推进乡村振兴。要坚持农业农村优先发展，坚持城乡融合发展，畅通城乡要素流动。扎实推动乡村产业、人才、文化、生态、组织振兴。国家对“三农”问题的积极干预并要求全面加强乡村地区规划管理，构成了乡村规划向上发展的时代诉求，体现出鲜明的时代性和当前社会的需求。随着地理信息、物联网、大数据、无人机倾斜摄影测量和虚拟现实等新兴信息化技术的高速发展，三维可视化技术成为当前的研究热点[1]。而随着三维可视化技术的深入发展，三维乡村规划系统的成熟，为乡村文旅产业的转型升级提供了可能。目前，实景三维平台的生产重点及项目落地以大城市为主，在我国华南乡村地区进行的倾斜摄影和三维可视化乡村规划的案例未见发表。本文以桂林市全州县为例，使用大疆无人机对山地乡村目标区域进行倾斜摄影，克服了山地乡村高差大、重点规划项目范围分散等困难，完成了实景三维模型的可视化，搭建出了系统的三维可视化乡村规划框架结构和实现过程。

1三维可视化技术简介

三维可视化技术是一种基于计算机图形学理论、利用建模程序对现实世界中的实际物体进行建模，三维全方位展示并实现交互操作的一种虚拟现实技术。该技术已在建筑、设计、军事等专业领域中得到了广泛的应用[2]，在拟真和效果展现方面的应用设计十分成熟，具有比较完整的框架。但目前在乡村规划设计方面还未进行应用，无法将与真实环境联动的沉浸性这一优势应用于乡村规划设计方面，其研究前景巨大。在三维规划设计方面，为了保持建筑模型的精度并维持系统流畅性，设计方必须限制系统的画面表现力，进而影响了沉浸度。例如由海外设计公司ColossalOrderLtd开发的“Cities：Skylines”模拟程序就具有较完整的设计框架，但相关设计存在模型精细度较差的问题，且无法进行本地化设计。基于此，本文使用了UE5三维引擎进行了乡村三维可视化规划系统的开发。虚幻引擎5（UE5）是由EpicGames公司于2022年4月正式的3A级专业游戏引擎，具备出色的画面表现力和编译能力，被广泛应用于影视、娱乐、VR及AR程序开发，在城市数字景观、动画和数字孪生方面具有广泛的用途；相较与之前的引擎版本，UE5场景整体构建与热加载更加迅速，程序迭代的处理速度也得到提升，可以在保持模型精度的前提下维持系统流畅性；另外UE5的Lumen动态光照系统还可模拟出更加真实的场景光照，为用户带来令人惊叹的沉浸感。本次研究以乡镇的高精度数字模型为基础，通过UE5引擎的蓝图功能模块进行程序命令编辑，实现乡镇河道清障、支流岸坡整治、景观人文建设等规划功能；同时通过UE5引擎的VR功能模块实现场景漫游，使用户在完成规划设计后可以实时操作VR进行场景预览，查看规划完成效果，从而构建出一套完整的乡村规划三维可视化实时编辑系统，直观地展示乡村规划的实施情况及未来的完成效果。

2乡村规划系统功能设计

为了提升乡村规划的整体成效，使用户全面掌握规划内容并与拟真环境产生交互。本系统利用三维可视化技术，构造了一个仿真的屏山渡村场景。用户可以在系统的俯视视角界面中，对村落的特定区域进行规划设计，并通过VR进行实时预览。同时也可以切换成“游客模式”，更为直接地游览规划后的村落场景。

2.1研究对象

桂林市全州县是广西的“北大门”，有“湘桂走廊明珠”之称，其在2021年通过遴选答辩，成为全国水美乡村试点县。当前由全州县统一制定了施工计划，对屏山渡口附近的区域（屏山渡村）进行“平整地形”改造，将渡口附近的危房、旧房进行拆迁以腾出空地修建停车场、草坪等设施，并在后续阶段针对沿江走廊铺设栈道、浮桥、码头等设施，与红军长征湘江战役纪念馆进行串联，打造“重走长征路”等旅游项目；其施工后的场景无法预测，可通过构建三维可视化系统直观地展现当前和下一阶段施工完成后的村落样貌。

2.2程序主菜单

启动系统后，首先将进入程序主菜单界面。用户可以在该界面中，了解到屏山渡村的基本信息及水美乡村计划的整体内容。同时用户可以选择以编辑模式或游客模式，选其中一种进入仿真场景进行游览。在编辑模式中，用户可以进行所有区域的编辑并可同时进行实时VR预览。而在游客模式中，用户可以更为直接地游览规划后的屏山渡村场景。

2.3公共设施规划功能

选择编辑模式后，用户将以第三人称俯视视角鸟瞰屏山渡村场景，进而可对屏山渡村广场、渡口沿江风光带进行规划设计。而后用户可在数种规划方案中进行选择并预览其规划效果，其选择的规划方案将遵循屏山渡村的实际施工内容进行实时预览。如在屏山渡村广场部分，因屏山渡村广场位于村落北部，原有面积较小，存在危险建筑物，所以该区域的规划主要为平地类型。在编辑模式中，用户可以对屏山渡村的广场区域进行平地施工的指令操作。此操作将使广场区域被泥土覆盖，并被处理为平整的地形，进而用户可以将完成处理后的区域，规划为草坪或停车场，或者以一定比例混合两者进行整合规划。进行规划操作后，相应设施会在数秒内自动搭建完毕，如果对其规划效果不满意，用户也可以在操作面板中点击撤回并选择其他方案。而在屏山渡口的沿江风光带部分，因屏山渡口是全州县湘江战役遗址，宽约500m，江面狭窄，江水较深，所以该区域的规划首先是进行河岸的清理。在编辑模式中，用户可以对屏山渡口的河岸区域进行清理。此操作将使该区域河面、河滩上的杂物清理完毕，进而用户可以在以上区域选择栈道、浮桥、码头等设施进行规划搭建。不同的设施规划在VR预览阶段将提供不同的游览体验，例如栈道与浮桥的游览路径不同、码头可以提供划船项目等，每一种设施都将规划出不一样的游览体验。

2.4乡镇VR游览功能

在本系统中，用户可以在完成任意规划项目后，打开VR游览功能，以VR视角对完成规划的区域进行漫游，从而对其规划效果产生更为直观地感受。例如，在任意模式中用户都能以VR视角去游览体验红军古街区域的实地规划效果。该区域位于湘江东岸，紧邻渡口，是一处文物修缮的保护点。同时该区域呈东西走向，由青石板铺就，现存四十余栋古民居，多为前店后屋的商铺式徽派建筑。这些区域特征均可凭借三维可视化技术进行VR展现，用户通过VR设备便可以较好地体验该场景。

3乡村规划系统开发

本系统的开发流程可概括为“三外四内”，即外业收集相关资料，内业根据乡镇概况设计技术方案；外业采集高清倾斜影像数据，内业通过影像数据进行三维建模，包括空间三角运算、自适应切块、模型格式转换等；外业进行实地调研，内业根据调研结果反馈位置和具体施工信息；内业设计并实现规划功能，打包并系统。其乡村规划系统开发流程示意如图1所示。

3.1无人机倾斜摄影技术应用

3.1.1倾斜摄影技术

倾斜摄影测量技术近年来发展迅速，该技术方法在三维建模过程中有广泛的应用前景[3]。无人机倾斜摄影测量具有反应快速、时效性突出、数据采集内容丰富和能够应对复杂作业环境等优势[4]。本研究运用该技术可以快速、高效地获取屏山渡口影像数据，并通过国内外开发的三维建模软件针对影像数据建模，从而获得三维影像模型，节约了三维模型设计成本。其生成的模型精度高于以往开发模式，且在系统中仍保持了必要的流畅度。这是桌面系统开发结合倾斜摄影技术后相对于以往开发模式体现出的巨大优势，并且生成的三维模型具有真实的物理贴图，可在其基础上进行修饰以扩展用途。

3.1.2倾斜影像获取及注意事项

目前国内外市场具有多款无人机，如XINGSHETUX9PRO、Mini-mapperVI、CFLYAI-FAITH2S等，考虑到产品操作难易度及成像效果，研究团队最终采用大疆DJI-御MAVICAIR2无人机来获取所需的倾斜影像。在无人机进行外业作业前应收集目标飞行区域的资料，包括地名、高程基准参数、无人机管制区域信息等，随后制定无人机航行方案并申请空域。无人机操纵员需明确无人机的传感器、地面分辨率、影像重叠度和影像拍摄模式等参数，并在正式拍摄前进行试飞。探索其飞行区域周边可能存在的障碍物和山体高度，保证无人机在拍摄过程中处于安全的飞行高度，其使用的无人机飞行软件详细参数如图2所示。本次研究采用图新地球软件对屏山渡村进行航线规划，随后通过Rainbow无人机飞行软件进行航拍。图新地球可以在清晰的卫星图像中规划飞行区域，并将完成规划的区域另存为KML数据，该数据可以被各类主流航点拍摄软件识别并读取。而后Rainbow无人机飞行软件可以通过读取KML数据实现全自动航点飞行作业，根据预设定的飞行区域生成航点，随即围绕航点执行航拍任务，配合DJI-御MAVICAIR2无人机可以获得较为良好的拍摄效果。无人机的安全飞行高度设置如图3所示，需要考虑拍摄区域以及周边区域的最高建筑物和山体高度。因DJI-御MAVICAIR2无人机为单摄像头配置，进行倾斜摄影拍摄时需要采集目标区域的前后左右及顶部共5个面，故在Rainbow的操作界面中默认规划了5条航线。其中2、3、4、5航线均在邻近周边区域进行航飞，由此在图3环境内进行拍摄的安全高度应在35m以上。另外拍摄时宜选择阴天天气进行航飞，避免在正午光线过强时进行拍摄，即可获得适宜的曝光度，以生成较清晰的三维模型。

3.2三维数据处理与模型生成

本次研究利用ContextCapture软件构建实景三维模型，ContextCapture软件是由美国Bentley公司出品的一款目前被广泛使用的三维实景建模软件[5]。通过ContextCapture软件新建工程，加载无人机倾斜摄影获取的数据，进行空三计算，构建实景三维模型。该软件在实景三维建模中应用较为广泛，空间三角运算计算模型较多，可以自动生成具有高分辨率的三维模型，同等条件下生成的模型效果较好[6]。该软件通过对具备GPS信息的图像进行空间三角运算，可得到多种格式的三维模型，如OBJ、FBX、OSGB等通用格式。其三维模型生成流程示意如图4所示。

3.3三维场景编辑程序开发

研究团队根据乡村规划系统的功能分布设计了三维编辑程序开发流程，其具体开发步骤如图5所示3.3.1导入模型组成系统基础将ContextCapture制作的三维模型导入到UE5等主流三维场景开发引擎中，创建项目以构成系统的基础部分。该模型具备一定的精细度，由32个切块的瓦片部分拼接组成，用户可以在此基础上以第三人称的俯视视角对乡镇设施进行编辑设计。

3.3.2ModelFun模型修复

将规划设计范围内的瓦片导入到ModelFun软件中进行修复，目的在于去除瓦片表面的冗余碎片、道路不平、标牌破损和纹理拉伸模糊等基础问题。

3.3.3编写瓦片平地程序

在ModelFun中，对完成初步修复的瓦片模型进行进一步清理。清除地面的树木、杂草和民房建筑，将瓦片压制为平地模型。将平地模型导入UE5项目中，与原有模型进行绑定，编写相应的水平移动蓝图、施工动画和界面UI，使得用户可以通过选中原有模型来进行“平地”施工操作。由此操作后，完成施工的空地模型将替换原有模型以达到施工效果。

3.3.4构建公共设施

在UE5中对完成平地的区域进行草地和停车场模型的构建，使得用户可以在此基础上对平地区域进行铺设草地、改建停车场等自定义规划操作。

3.3.5构建相关区域模型

首先，在ModelFun中对沿江走廊区域模型进行水道清理，删除静态的湘江水面模型与杂物模型。将完成删减的沿江走廊模型导入到UE5项目中，制作流动的湘江流域水面效果并替换原模型，使得场景流动起来其次，在UE5中对沿江走廊区域进行栈道、浮桥、码头等设施，构建沿江风光带模型，并编写相应的施工动画与界面UI，使用户可以依次搭建上述沿江风光带设施。最后，在ModelFun中对“红军古街”区域进行模型重建，运用高清影像进行优化处理以满足VR漫游的需要。将完成重建的模型导入到UE5项目中替换原有模型并设置VR漫游边界，对俯视视角下建筑聚落的LOD层级进行限制以减少性能开销。

3.3.6添加实时VR模块

在UE5中添加VR模块，设计相应的操作界面和交互UI，设置寻路导航并确定地面可活动范围，加入［CameraRia］预制件，实现头盔式显示器和交互手柄的定位与显示功能[7]，使得用户在完成任意规划操作后可以实时使用VR进行场景漫游，查看规划完成效果。

3.3.7编辑程序主菜单

首先将完成编辑的村落关卡设置为“游客模式”，再进行UI设计，引导游客浏览施工完成后的乡镇俯视角面貌；其次将未进行规划设计的村落关卡设置为“编辑模式”，可体验全部编辑功能并随时进行浏览；最后设计程序的主菜单UI，绑定用户蓝图与关卡，使用户可以在主菜单中进行2种模式的切换。3.3.8优化细节、完成系统构建在场景中添加汽车、行人等元素以增强流动性，同时优化程序UI和场景细节层次，以保证系统的流畅性；最后完成系统调试后打包输出为可执行程序。

4应用效果

本文以桂林市全州县屏山渡村为研究原型进行乡村规划系统设计，以下为其实际效果展示。乡村规划系统对屏山渡村的广场、沿江走廊和红军古街等设施进行规划设计和实时漫游，其操作界面如图6所示。图中可见对乡镇设施的规划选项，用户将光标移动到规划区域时，该区域自动高亮显示，再点击目标区域则可激活对当前区域的编辑选项，直观易用。另外，用户也可以通过鼠标滚轮将系统画面从鸟瞰俯视视角拉进至局部视角，在此视角下用户可以更加清晰地了解目标规划区域内的建筑特征和信息，同时操作界面的UI内容也会随着鼠标选择的变换而随之更改。如图7所示，若鼠标选择了广场内的居民建筑，则其对应的UI内容也会变化为该建筑的相关信息。而此时被选中物体的轮廓同时也会被标记，用户可以在该视角下对所选物体进行针对性地编辑。在完成系统的规划操作后，用户可以打开VR游览功能，以第一人称在屏山渡村的设施中进行漫游。在“编辑模式”中用户只能对完工的规划项目进行游览，而在“游客模式”中，用户可以直接对“屏山渡村广场”“沿江风光带设施”和“红军古街”以上3个区域进行串联地的游览，直接体验乡村规划完成后的屏山渡口风景。在整个展示期间，设备运行稳定，能实现所有的系统功能。并且该系统能利较短时间，便能够以优秀的画面表现力、高沉浸度的表现形式直观完整地展现乡镇的当前情况及完成规划后的效果[8]。

5结束语

综上所述，三维可视化技术通过外业采集高清图像，内业进行照片建模，仅需1~2人即可完成一个村庄村域内的数据采集工作，并在2~3d内获得较高精度的三维影像模型成果。三维影像模型数据量大、制作简单，三维规划系统展示效果强，沉浸度高，由此证明三维可视化技术可在乡村规划设计中进一步推广。本研究提高了乡村规划设计效率和质量，是实现乡村规划设计工作高效化和智能化的重要手段，为更科学地规划方案选择和优化设计提供了技术支撑。不足的是，空中三角运算的三维模型生成技术存在一些局限性，例如模型效果受到采集影像影响、生成的较高精度模型仍然需要内业人员进行针对性修缮、重做等，进而导致三维可视化系统制作过程中产生新的开销。不过可以预料的是，随着测量技术与三维可视化技术的迭代更新，更加成熟的理论应用和研究成果将不断迸发。在全面实施乡村振兴战略背景下，乡村规划作为促进乡村可持续发展的重要治理工具之一，将发挥更大的作用。这也将为我国乡村地区实景三维模型建设提供技术参考与应用思路，为加快构建智慧乡村平台提供技术可行性依据。

参考文献：

[1]张尚武，李京生，栾峰，等.乡村振兴的规划议题与学科发展思考[J].城市规划，2022，46（10）：18-24.

[2]徐瑞.基于WebGL的三维GIS在城市规划中的应用研究[D].武汉：武汉大学，2018.

[3]董萌，庞书经，李磊.三维影像技术在美丽乡村规划过程中的应用[C]//2019年中国城市规划年会论文集，2019：1-6.

[4]刘传志，王兵.倾斜摄影实景三维模型在高速公路改扩建勘察设计中的应用[J].公路，2022，67（8）：69-73.

[5]闫烨琛，高学飞，于向吉，等.无人机倾斜摄影测量技术在地质灾害隐患调查中的应用研究[J].科技创新与应用，2022，12（17）：193-196.

[6]王棋.倾斜摄影测量技术在古建筑保护中的应用[J].测绘与空间地理信息，2022，45（9）：26-28.

[7]洪洋，周科平，梁志鹏，等.基于VR技术的非煤矿山火灾应急培训系统的开发[J].黄金科学技术，2019，27（4）：629-636.

[8]张大利，李晗，曾一笑.倾斜摄影技术支持下的山地乡村实景三维模型建模———以黔江区为例[J].测绘通报，2022（S2）：170-173．

作者:彭玉元 张铭戍 刘颖超 单位:桂林电子科技大学 艺术与设计学院