無人機(jī)實(shí)景建模技術(shù)在古村鎮(zhèn)實(shí)踐課程的應(yīng)用

孫帥 ，王彪 （北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144）

1 建筑測繪教學(xué)的意義與現(xiàn)實(shí)問題

古建筑測繪是建筑學(xué)本科教學(xué)體系中最重要的實(shí)踐課程之一。通過實(shí)地測繪實(shí)踐，不僅可以使學(xué)生加深理解古建筑營造技法的相關(guān)知識，還可以掌握最實(shí)用的古建筑測繪及制圖方法，同時可以為未來的課堂教學(xué)或科研提供全新的研究素材，最直接的好處則是直接記錄了一批兼具科學(xué)和文化價值的建筑遺產(chǎn)。雖然計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)可以大大降低制圖過程的時間和人力成本，但在現(xiàn)場的測量記錄仍然存在許多問題和制約因素。

首先，從測量工具和方法來看，依然以相機(jī)、卷尺、垂球等手工測量為主，不僅測量誤差較大而且現(xiàn)場測量十分辛苦。部分有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的院校引進(jìn)的手持式激光掃描儀，由于其成果數(shù)據(jù)為點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)量巨大，對于小型建筑構(gòu)件的測量尚可，對于大面積或大型建筑（群）則無能為力。

其次，從測量實(shí)踐課程的時間安排上來看，多數(shù)院校將暑假作為教學(xué)小學(xué)期，利用5～8周的較長假期，保障建筑測量工程的順利進(jìn)行。一方面占用了學(xué)生過多的休假時間，學(xué)生的參與積極性不高，另一方面我國多數(shù)地區(qū)夏季酷熱或多雨，戶外測量的氣候條件艱苦。多數(shù)學(xué)生疲于應(yīng)付測量任務(wù)，而忽略了對建筑本身的觀察學(xué)習(xí)。

第三，從測繪實(shí)踐成果來看，主要以手繪圖紙、現(xiàn)場照片、CAD圖紙為主，各種成果之間缺乏橫向的比較分析的可能性。以現(xiàn)場照片為例，人視角度照片過于碎片化，缺乏對建筑整體的記錄，也很難進(jìn)行系統(tǒng)的排列和整理；鳥瞰角度的照片，通常受限與場地現(xiàn)狀難以獲取或根本無法獲取，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)的測繪甚至無法獲得最新的衛(wèi)星遙感平面來輔助測繪。

2 低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)的硬件技術(shù)優(yōu)勢

低空無人機(jī)（Low-altitude Unmanned Aerial Vehicle,LUAV）也稱為低空無人航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設(shè)備控制，或由預(yù)編程序操縱的非載人飛行器。按照任務(wù)高度進(jìn)行區(qū)分，無人機(jī)包括超低空無人機(jī)（0～100m）、低空無人機(jī)（100～1000m）、中空無人機(jī)（1000～7000m）、高空無人機(jī)（7000～18000m）和超高空無人機(jī)（大于18000m）。經(jīng)過多次飛行實(shí)踐我們發(fā)現(xiàn)飛行作業(yè)高度通常在100～200m左右，可以有效滿足古建筑或傳統(tǒng)村落的測繪需求。

我國傳統(tǒng)村落及古建筑地域分布廣泛,地理環(huán)境多種多樣,用無人機(jī)取代傳統(tǒng)的人工調(diào)研、人工作業(yè)方式,可以大大提高調(diào)研效率、縮減調(diào)研人力及時間成本,具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。目前低空無人機(jī)多搭載小型成像與非成像傳感器作為機(jī)載遙感設(shè)備,具有采樣周期短、分辨率高、像幅小、適應(yīng)復(fù)雜地形、節(jié)省人力資源等優(yōu)勢，在收集、處理、分析中小尺度的農(nóng)村居民點(diǎn)空間信息方面，具有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。需要特別指出的是,無人機(jī)測繪系統(tǒng)適用于高原、山地、丘陵、平原、盆地、水域等多種地形地貌,可以從更高、更廣、更動態(tài)的視角,更快、更準(zhǔn)確、更便捷地獲取傳統(tǒng)村落及古建筑本體和周邊環(huán)境的空間數(shù)據(jù)信息。近一年來，低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)開始被國內(nèi)建筑、景觀、規(guī)劃的研究人員所關(guān)注，以高校和大型規(guī)劃研究院為代表的科研單位嘗試引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)。

3 低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)的軟件技術(shù)優(yōu)勢

隨著“數(shù)字地球”和“虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)”技術(shù)的發(fā)展,航空攝影測量技術(shù)經(jīng)歷了一場由平面二維向空間三維系統(tǒng)的變革。其所建立的空間三維實(shí)景模型平臺,兼具完善地理信息系統(tǒng)空間處理和分析能力、大大拓展了傳統(tǒng)GIS信息表現(xiàn)形式的新興技術(shù)。基于數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字線劃圖（DLG）的三維地理信息系統(tǒng)提供了處理、分析地理數(shù)據(jù)及相關(guān)屬性信息的更直觀手段,并且在疊加上相應(yīng)的地理要素后就可以獲得表現(xiàn)力豐富的三維專題地圖。將這些技術(shù)應(yīng)用于中小尺度空間內(nèi)的景觀、建筑等領(lǐng)域,可以有效減少規(guī)劃、保護(hù)、管理的工作量,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)智能化、數(shù)據(jù)處理自動化、數(shù)據(jù)輸出可視化的目標(biāo)。

這樣一方面可以有效收集傳統(tǒng)村落、古建筑的空間及周邊環(huán)境的海量數(shù)據(jù),另一方面有利于未來更加便捷地使用這些數(shù)據(jù)。低空無人機(jī)遙感建模的空間模型成果，可以完整而清晰地記錄并展現(xiàn)單體建筑物的形體、色彩、材質(zhì)、風(fēng)貌，整個村落建筑物的分布形態(tài)、道路分布以及與周邊地形關(guān)系等空間信息。海量的紋理、材質(zhì)及空間細(xì)部信息儲存在完整統(tǒng)一的三維立體空間模型中，同時不僅僅是單一角度的航拍鳥瞰照片，具有GPS坐標(biāo)的三維模型還可以進(jìn)行實(shí)景測量等輔助性工作。

低空無人機(jī)測繪技術(shù)收集海量數(shù)據(jù)的便捷性，相關(guān)軟件分析處理海量數(shù)據(jù)的智能性，可以把研究者和政策制定者從海量數(shù)據(jù)中解放出來，將更多精力和時間投向其內(nèi)在發(fā)展規(guī)律和推動因子的研究。該理念的提出，順應(yīng)了信息技術(shù)發(fā)展的趨勢，客觀應(yīng)對并解決研究過程中的現(xiàn)實(shí)問題，可以更加清晰地揭示龐雜數(shù)據(jù)庫中的變化規(guī)律，并對上述空間大數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析，輔助研究者綜合評估相關(guān)空間數(shù)據(jù)變化的趨勢以及分布的合理性，具有廣闊的應(yīng)用前景。需要指出的是，當(dāng)這些空間數(shù)據(jù)的發(fā)展規(guī)律和推動因子越來越清晰時，反過來可以使相關(guān)軟件平臺更加完善、更加科學(xué)，這是一種良性循環(huán)和互動。

4 基于低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)的傳統(tǒng)村落測繪實(shí)踐方法

4.1 測繪任務(wù)

由于低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)的高度自動化，通常一個約1km2的測繪區(qū)域只需3～4周即可完成。項(xiàng)目組成員通?？梢苑譃?個子團(tuán)隊(duì)，包括業(yè)外飛行測繪團(tuán)隊(duì)和業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)，其中業(yè)外飛行測繪子團(tuán)隊(duì)通常包括1個無人機(jī)測繪小組和1個地面監(jiān)控及人工補(bǔ)拍攝影組。通常測繪內(nèi)容包括1:500或1∶1000地形圖測圖，以及.max或.mtl或.obj等常用通用格式真實(shí)紋理三維建模兩項(xiàng)任務(wù)。具體工作內(nèi)容包括飛行作業(yè)、地面控制點(diǎn)測量、地面像片補(bǔ)拍、數(shù)據(jù)處理及三維場景構(gòu)建等，最終構(gòu)建起智能化的完整村落及其周邊環(huán)境的真實(shí)紋理三維場景。

4.2 系統(tǒng)選型

選用的低空無人機(jī)遙感建模系統(tǒng)包括低空無人機(jī)航測系統(tǒng)1套和無人機(jī)三維建模系統(tǒng)1套?？紤]到測繪地點(diǎn)遠(yuǎn)離城市設(shè)備不易維修，測繪地區(qū)地形地貌及氣象條件復(fù)雜等因素，無人機(jī)航測系統(tǒng)通常采用更為穩(wěn)定的六旋翼或八旋翼無人機(jī)為平臺。通常微型或輕型無人機(jī)1塊電池的航時為20～30min，除去起飛降落等技術(shù)性動作，實(shí)際任務(wù)時間通常為15～25min，因此一架無人機(jī)通常需配備15～20塊機(jī)用充電電池，以保障一個全天或兩個半天的持續(xù)飛行。由于開展測圖任務(wù)和三維建模的信息采集任務(wù)需要大量照片，通常相機(jī)以三拼或五拼數(shù)碼相機(jī)為航攝任務(wù)載荷，提高航攝飛行效率。

4.3 人員安排

測繪任務(wù)需要至少需要3人，包括飛控人員、數(shù)據(jù)人員及布控人員等。其中飛控人員需要是中國航空器擁有者及駕駛員協(xié)會（AOPA）頒發(fā)無人機(jī)教員、無人機(jī)機(jī)長、無人機(jī)駕駛員證書的專業(yè)人員，其主要職責(zé)是制定無人機(jī)飛行計劃并實(shí)際操控?zé)o人機(jī)完成飛行及荷載任務(wù)。數(shù)據(jù)人員主要職責(zé)是輔助機(jī)長進(jìn)行飛行規(guī)劃和數(shù)據(jù)監(jiān)控，并現(xiàn)場對航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。布控員的主要職責(zé)是控制點(diǎn)布測和無人機(jī)飛行狀態(tài)觀測監(jiān)控。

4.4 時間計劃表

序號 工作內(nèi)容 時間 備注① 前期準(zhǔn)備設(shè)備、人員協(xié)調(diào)與調(diào)試；任務(wù)地氣象及地理資料收集第1～2日② 任務(wù)準(zhǔn)備 前往任務(wù)區(qū) 第3日③現(xiàn)場查勘 第3～4日④ 測圖作業(yè) 測圖飛行 第4日⑤控制點(diǎn)測量 第5日⑥ 三維作業(yè) 三維飛行 第6日⑦地面像片補(bǔ)拍 第6～7日⑧ 工作收尾 相關(guān)區(qū)域補(bǔ)飛 第8日⑨撤離 第9日⑩ 數(shù)據(jù)處理 1:500測圖 第6～8日 作業(yè)現(xiàn)場即可開展數(shù)據(jù)處理輥輯訛 三維場景建模 第10日～20日 業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理團(tuán)隊(duì)人工調(diào)研團(tuán)隊(duì)同步進(jìn)村，有針對性地對重點(diǎn)建筑物、無人機(jī)盲點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)測

5 課程實(shí)踐總結(jié)

基于低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)的傳統(tǒng)村落或古建筑空間三維模型并不排斥傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)獲取方式，手持式相機(jī)、手機(jī)等圖像獲取方法可以有效補(bǔ)充低空無人機(jī)飛行盲區(qū)。由于飛行作業(yè)高度通常在100m左右，它主要收集中小尺度空間數(shù)據(jù)，恰恰適合農(nóng)村居民點(diǎn)的空間尺度，也為宏觀的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和微觀的人工測繪影像數(shù)據(jù)，建立起了聯(lián)系的橋梁，形成“宏觀—中觀—微觀”完整的空間大數(shù)據(jù)庫（鏈）。

傳統(tǒng)村落或古建筑研究領(lǐng)域具有信息量大、收集信息困難、人力及資金不足、后續(xù)管理不力等諸多制約條件。與側(cè)重收集宏觀地理信息的衛(wèi)星影像相比較,低空無人機(jī)測繪影像不僅具有高分辨率,能提供更多的細(xì)部形狀、細(xì)部紋理以及地表環(huán)境信息等數(shù)據(jù),而且具有實(shí)時性和低成本性,傳統(tǒng)村落或古建筑通常涉及的中小尺度地形的三維重建方面也有著獨(dú)特的優(yōu)勢，可以快速地完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析,可以作為衛(wèi)星遙感和有人機(jī)遙感的有益補(bǔ)充。與側(cè)重收集微觀建筑單體信息的傳統(tǒng)人工測繪相比較，尤其是對于處于地形地貌較復(fù)雜空間中的村落,低空無人機(jī)測繪技術(shù)可以大大削減人工成本和時間成本。目前基于自動匹配生成離散點(diǎn)來構(gòu)建TIN,輔以少量人機(jī)交互修改,最終生成更為準(zhǔn)確的DEM完成三維建模的技術(shù)手段,還可以有效提高測繪精度,保證測繪進(jìn)度。

通過實(shí)地飛行測繪與課程實(shí)踐，低空無人機(jī)遙感建模技術(shù)可以滿足城市規(guī)劃、景觀設(shè)計、建筑保護(hù)等研究領(lǐng)域的實(shí)際需求、符合其行業(yè)特征、解決其實(shí)際困難，可以為相關(guān)領(lǐng)域研究提供具有前瞻性的新辦法、新途徑；也可以進(jìn)一步推動建筑、規(guī)劃、風(fēng)景園林專業(yè)與信息技術(shù)的交流融合；同時還是為高校探索創(chuàng)新的交叉學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域，，讓最新科學(xué)研究成果更好地為社會發(fā)展服務(wù)，更快地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。