無(wú)人機(jī)低空攝影及在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的應(yīng)用淺析

張成龍 李哲羽

（吉林建筑大學(xué)， 吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

隨著建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)越來(lái)越便捷快速，設(shè)計(jì)工作的難度逐漸減小，建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)行業(yè)形成了突飛猛進(jìn)式的發(fā)展。而作為建筑設(shè)計(jì)前期的建筑場(chǎng)地調(diào)研以及數(shù)據(jù)資料采集獲取工作卻與之進(jìn)步相差甚遠(yuǎn)，并沒(méi)有得到跨越式的突破。就目前我國(guó)現(xiàn)狀而言，相關(guān)工作仍依托人工測(cè)繪及衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)獲取等方式，與此不同的只是測(cè)繪、攝影設(shè)備的更新?lián)Q代。

相對(duì)于傳統(tǒng)利用大飛機(jī)和衛(wèi)星獲得的影像數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)低空攝影是依托微型飛行器為平臺(tái)，利用高清攝影設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，因此具備高效性、實(shí)時(shí)性、周期短、成本低、高質(zhì)量及高分辨率等特性。在我國(guó)較多的在建筑遺產(chǎn)研究及保護(hù)、 國(guó)內(nèi)局部物理環(huán)境的信息采樣等方向的研究中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，但在規(guī)劃前期查勘、建筑場(chǎng)地調(diào)研等方面應(yīng)用仍稍顯欠缺。

通過(guò)無(wú)人機(jī)低空攝影所獲取的數(shù)據(jù)信息正符合建筑場(chǎng)地調(diào)研中對(duì)建筑主體和建筑所在環(huán)境的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)信息的采集等相關(guān)需求。本文對(duì)近年無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)行歸納總結(jié)，其中著重闡述了其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用及實(shí)踐研究，分析其在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的需求現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)在建筑調(diào)研中應(yīng)用的技術(shù)路線與具體方法，最終在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、信息獲取以及全程跟蹤記錄等工作實(shí)踐。

1 國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究綜述

筆者在中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）上，以“無(wú)人機(jī)低空攝影”為主題檢索詞進(jìn)行搜索，其相關(guān)論文最早發(fā)表于2004 年，即有關(guān)“無(wú)人機(jī)低空攝影”的相關(guān)研究在我國(guó)已發(fā)展17 年，共1000 篇文獻(xiàn)，其中期刊論文773 篇、碩士論文180 篇、博士論文18 篇。如表1 所示，自2014 年起發(fā)展速度逐年遞增，2019-2020 年度進(jìn)展最為迅猛。

表1 發(fā)表年度趨勢(shì)圖（作者根據(jù)知網(wǎng)數(shù)據(jù)自繪）

在對(duì)上述文獻(xiàn)進(jìn)行研究層次分析，其中工程技術(shù)（自科）方向的相關(guān)研究占71.4% 的比例，而基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究?jī)H10.5% 的比例。在學(xué)科分布分析中也可得出，測(cè)繪學(xué)和礦業(yè)對(duì)此相關(guān)研究占比最多，高達(dá)62.23%，在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用研究則相對(duì)較少。 “無(wú)人機(jī)低空攝影”的研究對(duì)集中在單一學(xué)科的理論應(yīng)用研究中。

表2 研究層次分布圖（作者根據(jù)知網(wǎng)數(shù)據(jù)自繪）

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)低空攝影的研究成果較為豐富，但對(duì)其應(yīng)用實(shí)踐的研究則相對(duì)欠缺。這表明無(wú)人機(jī)低空攝影的應(yīng)用實(shí)踐仍處于起步階段，但只有注重?zé)o人機(jī)攝影測(cè)量的應(yīng)用實(shí)踐，才能在應(yīng)用中查缺補(bǔ)漏，發(fā)現(xiàn)不足之處加以改進(jìn)，從而得到更大的發(fā)展及應(yīng)用空間。

表3 學(xué)科分布圖（作者根據(jù)知網(wǎng)數(shù)據(jù)自繪）

1.2 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的當(dāng)前應(yīng)用研究領(lǐng)域

無(wú)人機(jī)的研發(fā)最初于1917 年，其主要應(yīng)用目的為戰(zhàn)斗支援。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代的結(jié)束，科技的進(jìn)步發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍也變得廣泛。近些年，逐漸滲透到生活及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于地圖測(cè)量、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)資源測(cè)量、城市重建、歷史建筑檢測(cè)及修復(fù)等方面。如圖1、圖2 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

圖2 無(wú)人機(jī)低空攝影技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑檢測(cè)及修復(fù)

隨著無(wú)人機(jī)使用領(lǐng)域逐步發(fā)展普及，依托無(wú)人機(jī)平臺(tái)的低空攝影技術(shù)及方法也日趨成熟。面對(duì)不同的使用需求及多種種類信息的獲取，無(wú)人機(jī)的機(jī)型種類及可搭載的儀器功能也日趨強(qiáng)大，可搭載相機(jī)、紅外成像儀、機(jī)載激光掃描儀等儀器。隨著應(yīng)用實(shí)踐的增多，相關(guān)理論研究也逐漸豐富，使得低空攝影技術(shù)越來(lái)越系統(tǒng)，越成熟，大大擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用范圍。

圖3 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

圖4 “手提箱”式地面控制站

2 無(wú)人機(jī)低空攝影在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的應(yīng)用前景

2.1 無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建

無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)以傳統(tǒng)測(cè)繪手法為基礎(chǔ)，進(jìn)而構(gòu)建在空中的、可移動(dòng)的、適合外部作業(yè)的信息采集平臺(tái)，并且最終將獲得較為全面的、系統(tǒng)的、具有針對(duì)性的信息。因此對(duì)其平臺(tái)的構(gòu)建主要由兩部分構(gòu)成：內(nèi)業(yè)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)等技術(shù)手段進(jìn)行信息的后期處理。而面對(duì)不同的飛行任務(wù)，所依托的飛行平臺(tái)也各不相同。也因此，外業(yè)系統(tǒng)相對(duì)而言更為繁瑣復(fù)雜。具體系統(tǒng)建設(shè)如表4 所示：

表4 無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)內(nèi)、外業(yè)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

2.2 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的低空信息采集技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

由于低空攝影技術(shù)主要依托微型飛行器作為飛行平臺(tái)，與傳統(tǒng)的空中攝影技術(shù)相比，相關(guān)器械便于攜帶及組裝，無(wú)需過(guò)多人員一同操作，具備高效性，除此之外還具備有表5 所示5 項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

表5 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的低空信息采集技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.3 在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的需求現(xiàn)狀

建筑場(chǎng)地調(diào)研作為整個(gè)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要組成部分，其調(diào)研活動(dòng)范圍廣泛，從城市到鄉(xiāng)村，從人工環(huán)境到自然環(huán)境皆有涉及，因此其工作條件相對(duì)也更為艱苦，作業(yè)范圍大、內(nèi)容多。更由于我們部分地理信息系統(tǒng)仍不夠完善準(zhǔn)確，支持稍顯匱乏，變相的加大了人工作業(yè)量，形成了高人力低工作量的低效率現(xiàn)象。而載人飛行器、衛(wèi)星遙感等方式成本較高、精度較低，也不能夠準(zhǔn)確完成任務(wù)需求。而建設(shè)前期，建設(shè)委托方則會(huì)希望設(shè)計(jì)師盡可能的對(duì)于建設(shè)項(xiàng)目基地環(huán)境的潛在資源進(jìn)行深度挖掘，包括基地內(nèi)部及周邊的環(huán)境條件、道路及廣場(chǎng)、周圍交通、既有建筑等方面。這對(duì)于信息采集技術(shù)則有了更高的要求，要快速、精確、低成本、全面，為決策提供有力的、科學(xué)的依據(jù)。

面對(duì)這種狀況，無(wú)人機(jī)低空攝影登上了歷史的舞臺(tái)，相較于之前的兩種方式，無(wú)人機(jī)低空攝影所采集信息多處于100—1000m 之間的低、中度高度范圍，其低成本、周期短、時(shí)效性的特點(diǎn)便顯現(xiàn)出來(lái)。（如圖5）

圖5 高空航拍吉林省科技館

3 無(wú)人機(jī)低空攝影在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的實(shí)際應(yīng)用

鑒于當(dāng)前的現(xiàn)狀背景，下文對(duì)于無(wú)人機(jī)低空攝影在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的實(shí)際應(yīng)用研究主要圍繞無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)整個(gè)過(guò)程中對(duì)于建筑場(chǎng)地調(diào)研的圖像類信息采集，具體的方法是依靠無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)，通過(guò)靜態(tài)圖像、全景圖像、目標(biāo)環(huán)繞圖像三種類型的圖像類信息采集，對(duì)長(zhǎng)春市萬(wàn)科翡翠學(xué)院售樓處的場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)研，輔助設(shè)計(jì)并跟蹤記錄施工過(guò)程及結(jié)果。

3.1 項(xiàng)目相關(guān)概況整理階段

（1）區(qū)位分析

本文的調(diào)研區(qū)域位于吉林省長(zhǎng)春市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)萬(wàn)科翡翠學(xué)院項(xiàng)目?jī)?nèi)。該項(xiàng)目位于超凡大街與香灣街交匯處，屬長(zhǎng)春城南八一水庫(kù)西岸一片開闊的新興城市區(qū)域。項(xiàng)目總占地面積15 萬(wàn)m2，建筑面積22.56 萬(wàn)m2，項(xiàng)目的整體容積率為1.5。調(diào)研地塊位于該項(xiàng)目最北側(cè)，在售樓處及前廣場(chǎng)區(qū)域，占地面積約7700 m2。

（2）既有建筑概況

原有建筑為新古典風(fēng)格多層坡頂洋房產(chǎn)品。售樓處臨時(shí)借用其中最北側(cè)一棟的首層部分。作為售樓處的現(xiàn)狀建筑并沒(méi)有結(jié)合功能的變化在外觀上相應(yīng)調(diào)整，而是保留了現(xiàn)狀建筑封閉、沉重之特點(diǎn)，與周邊的自然環(huán)境基本沒(méi)有形成積極的互動(dòng)。建筑東側(cè)一路之隔就是八一水庫(kù)，這是一片非常開闊的自然水岸圍繞著的人工湖。從位置和尺度關(guān)系上，其實(shí)整個(gè)住宅用地是被水庫(kù)自然環(huán)境所環(huán)繞的。但是站在售樓處前，人們很難感受到自己和自然之間的這種密切聯(lián)系。

（3）設(shè)計(jì)要求

要求在售樓處前廣場(chǎng)空間快速搭建一個(gè)臨時(shí)性裝置，用來(lái)重新定義場(chǎng)地和建筑、環(huán)境之間的關(guān)系，以及重新梳理售樓參觀動(dòng)線。臨時(shí)性意味著這個(gè)裝置會(huì)短暫地存在一段時(shí)間，暫時(shí)對(duì)現(xiàn)狀產(chǎn)生某種影響。而當(dāng)使命完成后又方便拆除，甚至不留痕跡，這體現(xiàn)了一種“輕盈”的特性，與現(xiàn)狀建筑所體現(xiàn)出的沉重感形成一種有趣的對(duì)比。面對(duì)這樣的要求，須從設(shè)計(jì)初期的場(chǎng)地調(diào)研過(guò)程開始，到中期裝置搭建過(guò)程中最后到裝置驗(yàn)收以及建筑成果拍攝，整個(gè)過(guò)程需實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)計(jì)進(jìn)程及施工質(zhì)量。

3.2 無(wú)人機(jī)低空攝影平臺(tái)建設(shè)階段

（1）無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)：依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)及調(diào)研要求，本次項(xiàng)目采用大疆Phantom 4 Pro 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，如圖6 所示，為旋翼無(wú)人機(jī)飛行器，因此可在100m 以下超低空飛行航測(cè)，室內(nèi)室外均不受限制。并且因其內(nèi)部按有雙模定位及感應(yīng)系統(tǒng)，可自動(dòng)探測(cè)并躲避遮擋，保證飛行期間無(wú)人機(jī)的安全。其主要參數(shù)如表6 所示：

表6 平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

（2）飛行控制系統(tǒng)：飛行控制系統(tǒng)主要配置有DJI，其內(nèi)部設(shè)置GPS/GLONASS 雙模，同時(shí)配置雙冗余IMU 和指南針，保證定位的準(zhǔn)確性，減少操作人員數(shù)量，進(jìn)一步提高工作效率。

（3） 地面控制系統(tǒng)：地面控制系統(tǒng)可直接通過(guò)手機(jī)或ipad 進(jìn)行操作控制，在其內(nèi)部安裝DJI GO 4 App，如圖7 所示，配合機(jī)身內(nèi)置的Lightbridge 天空端，穩(wěn)定傳輸圖片及影響等高分辨率數(shù)據(jù)，保證信息采集的實(shí)時(shí)性。在城市環(huán)境及郊外開闊環(huán)境內(nèi)均可高效完成飛行器的各種操作。

圖6 大疆Phantom 4 Pro 無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)

圖7 地面控制系統(tǒng)DJI GO 4 App 操作界面

3.3 多種圖像類信息采集階段

對(duì)于建筑物而言，場(chǎng)地是指基地建筑物之外的空間區(qū)域，包括停車場(chǎng)、廣場(chǎng)、室外活動(dòng)場(chǎng)、綠地等。而建筑場(chǎng)地調(diào)研要獲取所有要素的相關(guān)信息，因此根據(jù)各自的使用目的利用不同的攝影技巧獲取相應(yīng)的圖像信息。

為滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)的整體概況、場(chǎng)地內(nèi)交通組織、既有建筑物所在位置建筑物的結(jié)構(gòu)及形態(tài)、道路、廣場(chǎng)及停車場(chǎng)概況、周圍建筑物的形態(tài)及對(duì)于場(chǎng)地的影響、室外構(gòu)筑設(shè)施位置和造型等情況進(jìn)行調(diào)研及整理。

（1）通過(guò)對(duì)不同因素控制以獲取靜態(tài)圖像的拍攝手法，獲取同一建筑不同維度的信息，其具體影響因素及操作手法如下所示：

A.高度：通過(guò)拍攝100m 以下、100—200m、300m、500m、500m 以上這5 種高度的靜態(tài)圖像，控制既有建筑與新建裝置的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)及既有建筑和新建裝置與及周邊場(chǎng)地組群關(guān)系的呈現(xiàn)。如圖8、9 所示：

圖8 高度180m 的建筑場(chǎng)地俯視圖

圖9 高度350m 的建筑場(chǎng)地俯視圖

B.距離：通過(guò)對(duì)100m、100—300m、300—500m 這3 種距離的圖像獲取，一方面新建裝置控制細(xì)節(jié)，另一方面強(qiáng)調(diào)表現(xiàn)主體與周邊景物、主次入口、道路、廣場(chǎng)之間的關(guān)系。如圖10、11 所示：

圖10 距離200m 高度300m 的建筑場(chǎng)地俯視圖

圖11 距離500m 高度300m 的建筑場(chǎng)地俯視圖

C.角度：通過(guò)獲取45°軸測(cè)圖、30—45°俯拍圖加大景深效果，以表現(xiàn)的道路、水系的走向及周邊場(chǎng)地的組群位置及特點(diǎn)。如圖12、13 所示：

圖12 傾斜角度30°的建筑場(chǎng)地俯視圖

圖13 傾斜角度60°的建筑場(chǎng)地俯視圖

D.光線：在航拍中，不同光線對(duì)圖像的影響十分重要，可輔助強(qiáng)調(diào)主體目標(biāo)并加強(qiáng)藝術(shù)效果。如圖14 所示：

圖14 同一位置不同光線下建筑軸測(cè)圖

E. 色感：針對(duì)作為效果圖使用的圖像拍攝，采用近距離拍攝陽(yáng)光照射的明亮立面最終達(dá)到“點(diǎn)彩式”的藝術(shù)效果呈現(xiàn)。如圖15 所示：

圖15 “點(diǎn)彩式”建筑俯視圖、軸測(cè)圖

（2）通過(guò)某一點(diǎn)拍攝的多幅實(shí)景圖像進(jìn)而拼接成全景圖像。通過(guò)對(duì)全景圖像的采集，將三維多元的信息呈現(xiàn)在二維圖像上，可使使用者能夠得到更大范圍的觀察角度，使建筑主體及周圍場(chǎng)地得到更清晰的表達(dá)。如圖16 所示：

圖16 建筑及周邊場(chǎng)地全景圖

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 不足

在對(duì)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的使用中，仍存在幾點(diǎn)不足：a.因無(wú)人機(jī)為小型飛行器，自重較輕，因此易受其外界氣流影響；b.因無(wú)人機(jī)攝影系統(tǒng)多為非量測(cè)性，因此鏡頭畸變較大；c.在飛行過(guò)程中存在飛行安全問(wèn)題，若無(wú)人機(jī)的安全性直接影響航測(cè)質(zhì)量。

4.2 展望

無(wú)人機(jī)等小型飛行器的出現(xiàn)和成熟，高效推動(dòng)了低空攝影技術(shù)的發(fā)展，相較于建筑場(chǎng)地調(diào)研中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取手法而言具備高效性、實(shí)時(shí)性、可獲取高清晰度圖像、具有高程信息數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在建筑場(chǎng)地分析及建筑效果的表現(xiàn)上相較于傳統(tǒng)方式更具科學(xué)性及真實(shí)性，因此低空攝影技術(shù)在建筑場(chǎng)地調(diào)研中的廣泛應(yīng)用已成為必然。