農(nóng)村空間調(diào)查中無人機傾斜航拍技術(shù)可視化研究

劉天奕

(浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310020)

1 農(nóng)村空間設(shè)計調(diào)研的局限性

在農(nóng)村空間設(shè)計調(diào)研中，由于場景尺度的寬泛性及地質(zhì)條件的復(fù)雜性，單純依靠傳統(tǒng)的調(diào)研手段往往會使設(shè)計調(diào)研陷入瓶頸，無法快速呈現(xiàn)以農(nóng)村社區(qū)為代表的復(fù)雜空間。盡管現(xiàn)在可以用谷歌地球、街景去了解場地，但是圖像的時效性和質(zhì)量不盡如人意，所獲取的圖像大多數(shù)都是“扁平化”的，毫無實景的感覺；另外，在一些人口密度較低的區(qū)域，無論是衛(wèi)星地圖還是街景都缺少所需要的數(shù)據(jù)。

數(shù)字技術(shù)設(shè)備能為設(shè)計調(diào)研提供數(shù)字化、可視化的技術(shù)支撐，其中以傾斜航拍技術(shù)為代表，本文通過對傾斜航拍技術(shù)的研究，將其研究對象數(shù)字化、可視化，滿足了設(shè)計調(diào)研中場景可視化呈現(xiàn)的需求，釋放生產(chǎn)力的同時提高了工作效率。

2 農(nóng)村空間設(shè)計調(diào)研的現(xiàn)狀

2.1 問題分析

在農(nóng)村空間中，由于尺度較寬泛，可運用無人機傾斜航拍技術(shù)對目標(biāo)對象進(jìn)行現(xiàn)狀采集，通過提取的影像特征和幾何特征進(jìn)行實景重現(xiàn)，將農(nóng)村范圍內(nèi)的地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，即使從未造訪過村莊，也可以在短時間內(nèi)掌握該村莊的地形細(xì)節(jié)和交通現(xiàn)狀，厘米級的精度能夠清晰地分辨出道路、植物、水體、設(shè)施、地形等外輪廓。

無人機傾斜航拍技術(shù)可以在短時間內(nèi)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理重構(gòu)，這一點是傳統(tǒng)的調(diào)研方式所無法比擬的，有利于快速高效地制定或改善設(shè)計方案，無人機傾斜航拍技術(shù)可生成高度逼真的三維立體(3D)城市模型。在傾斜航拍中，使用配備多臺相機的無人機從不同角度獲取城市照片。隨后使用這些照片，可以重建可視化的城市三維立體模型，重建的三維立體3D城市模型可以達(dá)到厘米級的分辨率。

2.2 研究現(xiàn)狀

無人機(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)是一種無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，起初隨著計算機及定位系統(tǒng)和可視技術(shù)的發(fā)展，無人機最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，民用領(lǐng)域于20世紀(jì)90年代開始逐步應(yīng)用并得到蓬勃發(fā)展，在無人機成為消費級大眾產(chǎn)品后，由于無人機高空作業(yè)機動化的優(yōu)勢，在測繪及工程航測中應(yīng)用廣泛，尤其適用于復(fù)雜空間，例如農(nóng)村社區(qū)。

無人機傾斜航拍技術(shù)在農(nóng)村空間可視化調(diào)研中，將航測測繪技術(shù)手段與計算機高效配合，可產(chǎn)生二維矢量化和三維可視化的效果場景，其中以無人機傾斜航拍技術(shù)所生產(chǎn)的三維立體實景模型為切入點，為可視化設(shè)計調(diào)研帶來了新的可能性，逐步發(fā)展為服務(wù)于可視化設(shè)計調(diào)研且獨具優(yōu)勢的一種技術(shù)手段。

近年來，隨著消費級無人機的興起與發(fā)展，無人機在多學(xué)科領(lǐng)域中得到了充分應(yīng)用，文獻(xiàn)[2]運用無人機傾斜攝影技術(shù)，對快速實景建模進(jìn)行了探究；文獻(xiàn)[3]將無人機作為策劃與設(shè)計的新工具，對實際案例進(jìn)行技術(shù)探析，得到了無人機傾斜攝影的操作方法和應(yīng)用方向；文獻(xiàn)[4]基于無人機測繪技術(shù)，對實景三維模型進(jìn)行分辨率可視化的實踐探究；文獻(xiàn)[5]重點研究無人機在景觀設(shè)計領(lǐng)域三維可視化的應(yīng)用，同時在其它領(lǐng)域?qū)o人機的應(yīng)用做了較為全面的解析。文獻(xiàn)[6]在城市的復(fù)雜區(qū)域，對無人機攝影航線的規(guī)劃方法進(jìn)行分析，并通過試驗來進(jìn)行合理性的驗證，最后進(jìn)行航線路徑的設(shè)計；文獻(xiàn)[7]基于無人機航測的方法，利用無人機傾斜航拍技術(shù)對景觀格局的尺度效應(yīng)進(jìn)行了量化分析。

以上均是無人機傾斜航拍技術(shù)在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景，在此背景下，無人機傾斜航拍技術(shù)，作為一種可視化設(shè)計調(diào)研的技術(shù)，一次測量即可獲取二維矢量化場地平面數(shù)據(jù)和三維可視化的實景三維模型，該技術(shù)手段可作為可視化設(shè)計調(diào)研中的策略手段進(jìn)行深入研究，本文選用大疆御Maciv air作為技術(shù)設(shè)備(如圖1所示)，在了解相關(guān)設(shè)備的參數(shù)指標(biāo)后(詳見表1)，選取杭州市余杭區(qū)黃湖鎮(zhèn)沙塘村一處農(nóng)村空間作為研究對象，探究無人機傾斜航拍技術(shù)在農(nóng)村空間的可視化設(shè)計調(diào)研。

表1 無人機相機參數(shù)指標(biāo)大疆御Maciv air相關(guān)參數(shù)指標(biāo)

圖1 大疆御Maciv air(數(shù)據(jù)來源https://www.dji.com/cn)

3 無人機傾斜航拍技術(shù)的應(yīng)用

3.1 技術(shù)概述

無人機傾斜航拍技術(shù)是通過在同一平臺上搭載多臺傳感器，在垂直、傾斜和環(huán)繞等角度進(jìn)行影像的采集達(dá)到獲取影像素材的目的，在前后左右4個方向45°和垂直90°角對地面進(jìn)行拍攝，獲取更加全面的地物影像，并基于無人機航拍的影像，配備一系列數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維可視化的重構(gòu)，如ContextCapture、PhotoMesh、PixelFactoryNeo、PhotoScan、Pix4DMapperPro等三維可視化建模軟件。在本次實踐中通過無人機航線規(guī)劃和定時拍攝手段，圍繞興趣點進(jìn)行環(huán)繞飛行并采集影像，其操作流程的技術(shù)路線如圖2所示。本文以杭州市沙塘村的實踐為例，探究無人機傾斜航拍技術(shù)在農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研中的實際應(yīng)用前景。

圖2 技術(shù)路線

3.2 操作流程

3.2.1設(shè)置范圍與飛行航向

此過程要提前規(guī)劃調(diào)整航線的重合度與相機和垂直水平面的傾斜角度數(shù)。航線的重合度，包括旁向重疊度和航向重疊度。在這里旁向重疊度又稱“橫向重疊”，是指2條相鄰航線，航線不是完全相同的，但由于所要采集影像的對象是一致的，故所采集到的影像有部分相同，但不會完全相同。本次的實踐表明，旁向重疊度在70%以上會使成功率大幅度提高。航向重疊度，亦稱“縱向重疊”，是在同一飛行航線中所重疊的部分影像，根據(jù)實景建模的需要，航向重疊度在75%以上為宜。在實際操作中要注重旁向重疊度和航向重疊度的配比關(guān)系，針對三維模型所要達(dá)到的精度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，這樣才能得到更為理想的模型。

3.2.2設(shè)置飛行的安全高度

無人機的飛行高度與最后所要生成的二維矢量化及三維可視化場景也是密不可分的，在本次實踐中由于農(nóng)村社區(qū)無過高的建筑物，且建筑物的高度基本均等，故可采取低空航拍航測。但飛行高度與建筑物之間要有合適的高度差，保持相對合適的飛行高度既可以有效地捕捉數(shù)據(jù)，又可以確保采集影像作業(yè)的安全性。對精度有較高要求以求達(dá)到精細(xì)化的復(fù)原程度時，可以根據(jù)具體的精度要求靈活調(diào)整飛行高度。

3.2.3設(shè)置設(shè)備的鏡頭角度

對影像缺失或素材過于狹窄的部分由計算機進(jìn)行內(nèi)容識別后自行填充，影像的可用率還與無人機鏡頭的傾斜角度(垂直水平面的傾斜角度數(shù))密切相關(guān)。傾斜角與水平面的角度過大時會形成一種俯拍或仰拍的視角；傾斜角與水平面的角度過小時會使影像的采集過于局部，計算機無法識別該影像在場景中的具體位置，導(dǎo)致影像資源的浪費。

故傾斜角需在合適的范圍內(nèi)才會形成有效的影像組合，根據(jù)沙塘村的實踐，45°是比較理想的角度，所采集的影像利用率高達(dá)95%，足以支撐二維矢量化和三維可視化的大部分場景。

3.3 三維可視化

3.3.1前期準(zhǔn)備

經(jīng)過前人的總結(jié)以及多次實踐對比，本次選用ContextCapture作為三維建模的軟件工具，文獻(xiàn)[9]對無人機傾斜航拍技術(shù)的3種建模軟件進(jìn)行比較研究，以南京佘村為例對建模軟件進(jìn)行比對，最后證實了ContextCapture的優(yōu)越性能。使用ContextCapture進(jìn)行三維可視化的操作(其流程如圖3所示)，首先運行建模軟件的引擎ContextCapture Center Engine，打開主界面ContextCapture Center Master，將采集到的影像導(dǎo)入軟件，進(jìn)行獨立運算，接下來將曝光影像的地理位置與GIS系統(tǒng)的POS值進(jìn)行比對，通過空中三角測量加密運算使之碎片化，再運行軟件將整合后的碎片置于立體空間，調(diào)整編輯興趣范圍得到更為精細(xì)的三維可視化模型。

圖3 ContextCapture三維可視化流程

3.3.2提取對比

提取對比這一過程即影像匹配的過程。影像匹配，簡要來說就是在2幅或多幅的圖像中，找出影像共有點位的運算過程，影像的重合率是能否三維可視化的關(guān)鍵要素。如在建筑物的三維可視化中，對建筑物環(huán)境特征的提取尤為重要，通過不斷地提取特征才可以達(dá)到三維重構(gòu)的目的。在這個過程中影像重合率越高計算機識別的影像化碎片也就越精致，三維模型的容錯率也就越趨近于原始，雖然受到客觀條件的制約，但在理想條件下可以達(dá)到毫米級別的精度。

3.3.3三維生成

計算機性能不同三維可視化模型的建造速度也不盡相同。通過上述步驟的運行可構(gòu)建三維可視化的實景模型，在這其中由于計算機性能的不同所展現(xiàn)出來的運行效率也是不同的，同時在無人機采樣的過程中影像碎片基于計算出的瓦片數(shù)量的不同也會隨之重構(gòu)新的模型。由于采樣整體環(huán)境的統(tǒng)一性，使得計算機無法進(jìn)行精準(zhǔn)識別，故會重構(gòu)其他場景的碎片模型，在隨后的過程中將之剔除即可。

3.3.4后期處理

對于目標(biāo)場景的后期處理，由于3Ds Max文件會產(chǎn)生極多碎片化的網(wǎng)格，故不建議使用該軟件，本文借助Auto Meshmixer軟件進(jìn)行細(xì)節(jié)部分的修繕，例如網(wǎng)格面的修飾和細(xì)節(jié)輪廓的處理，以及目標(biāo)材質(zhì)的把控都可在此軟件中進(jìn)行，按流程進(jìn)行即可獲取三維立體實景模型。

3.4 二維矢量化

對于空間場景的數(shù)據(jù)信息建構(gòu)，尤其對場地信息的搜集歸納，其二維和三維的呈現(xiàn)均為不可或缺的一部分，同時也是設(shè)計環(huán)節(jié)的重要組成部分，前期資料的完整度決定了后期設(shè)計工作的進(jìn)度，甚至還會在一定程度上影響設(shè)計成果的高度。在三維可視化工作完成后，可進(jìn)一步生成矢量化的圖紙供設(shè)計參考。對三維模型進(jìn)行簡要處理后，使用AlgoLab R2V Toolkitren軟件可快速生成矢量的CAD圖紙(如圖4所示)，生成不同用地屬性的區(qū)域分級，為規(guī)劃設(shè)計或空間環(huán)境設(shè)計提供參考依據(jù)。農(nóng)村空間中的信息被高效獲取，無論是信息質(zhì)量還是獲取速度，其優(yōu)勢均大于傳統(tǒng)調(diào)研手段。圖4通過二維矢量圖與三維可視圖做對比，證明了該技術(shù)手段的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性，故可以大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)村空間中。

圖4 AlgoLab R2V Toolkitren二維矢量化流程

4 優(yōu)勢分析

4.1 提高工作效率

以農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研為例，農(nóng)村設(shè)計調(diào)研是個復(fù)雜的過程，包括需求對接、明確定位、收集資料、調(diào)研考察。相比較現(xiàn)有的設(shè)計調(diào)研模式而言，無人機傾斜航拍技術(shù)可以在相對短的時間內(nèi)獲取盡可能多的資料，可反映真實的場地狀況，使設(shè)計調(diào)研的主體對于場地現(xiàn)存地形條件以及具體情況有清晰直觀的認(rèn)識，此技術(shù)對于設(shè)計調(diào)研的前期分析，節(jié)約了時間成本等資源，同時可為后期設(shè)計方案的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)保障。

由于工作環(huán)境和專業(yè)知識的差別，在方案闡述中設(shè)計師的思維與意圖并不能百分百被服務(wù)對象吸收領(lǐng)會，故導(dǎo)致談判雙方陷入僵局。如果換一種表達(dá)方式，以無人機傾斜航拍技術(shù)下的二維矢量化平面布局和三維可視化模型渲染，這種實景疊加虛擬的方式呈現(xiàn)在服務(wù)對象的眼前，使設(shè)計思維從抽象到具體，從虛構(gòu)到現(xiàn)實，縮短想象與實際之間的距離，即可對設(shè)計方案一目了然，可推動整個項目的設(shè)計進(jìn)程。

4.2 擴大覆蓋范圍

在一定范圍內(nèi)，如果把調(diào)研實施對象平均劃分為等大的測區(qū)范圍，傳統(tǒng)的做法是在小范圍測區(qū)內(nèi)進(jìn)行，然后才能逐步拓展到各個不同的測區(qū)，數(shù)據(jù)采集的工作量較大，效率也不盡如人意。對于農(nóng)村空間尤其是當(dāng)下可視化的調(diào)研而言，調(diào)研的真實性及準(zhǔn)確性十分重要，無人機本身可以采集海量的數(shù)據(jù)加以分析比對，通過內(nèi)置運算方法以及計算機的處理摒棄虛無的數(shù)據(jù)，提取真實可靠的數(shù)據(jù)，并提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。相比較傳統(tǒng)做法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，無人機傾斜航拍技術(shù)可以達(dá)到較大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的采集，可快速且全方位系統(tǒng)地了解所要設(shè)計的測區(qū)場地，這里的關(guān)鍵在于無人機的高空作業(yè)機動性是別的技術(shù)手段所代替不了的，正是由于該手段的先進(jìn)性，使得在實地項目中所覆蓋的范圍大大增加，極大地提高了生產(chǎn)效率。

4.3 清晰獲取現(xiàn)狀

農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研中的前期分析工作，即獲取調(diào)研對象的現(xiàn)狀基礎(chǔ)信息，包括地形條件、水文植被、地域特色等資料，進(jìn)行場地分析的過程。傳統(tǒng)現(xiàn)狀資料的獲取具有一定局限性，該資料可以通過相關(guān)部門獲取，但缺少相關(guān)的三維信息資料；或通過走訪調(diào)查結(jié)合實地勘測等手段，并通過衛(wèi)星遙感獲取目標(biāo)的資料，但這種方法成本較高，缺少對現(xiàn)場空間的全面認(rèn)識，特別是在農(nóng)村社區(qū)這種復(fù)雜空間中的調(diào)研。

在農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研中，可利用無人機傾斜航拍技術(shù)獲取二維矢量化及三維可視化的現(xiàn)狀信息資料，清晰地獲得農(nóng)村空間的現(xiàn)狀，從而為農(nóng)村空間前期調(diào)研分析提供資料依據(jù)。如在本次的調(diào)研活動中對沙塘村的現(xiàn)狀進(jìn)行了可視化的呈現(xiàn)，獲得沙塘村現(xiàn)場地形地貌特征(如圖5所示)，可視化的呈現(xiàn)方式為農(nóng)村空間的規(guī)劃設(shè)計提供了前期依據(jù)。

由圖5可以看出，村落的現(xiàn)狀范圍界限清晰，周圍為山地且植被覆蓋率較高，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰，大多數(shù)道路鋪設(shè)水泥路面，建筑布局南北朝向為主，建筑物間距較為合理。可視化的呈現(xiàn)方式也可直觀看出其不足之處，如由圖5可直觀看出缺少公共休閑活動場所；無標(biāo)志性廣場；雖植被覆蓋率高但未形成有組織的景觀空間；主要道路寬度不夠，導(dǎo)致車輛錯車受限；交通路網(wǎng)需要完善內(nèi)部巷道，組織交織錯落的路網(wǎng)。

圖5 調(diào)研場地整體可視化呈現(xiàn)

4.4 擴展調(diào)研方式

農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研中，無人機傾斜航拍技術(shù)的運用使得傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段發(fā)展到可視化技術(shù)手段，多維視角下的信息呈現(xiàn)模式在獲取海量信息數(shù)據(jù)的同時其精準(zhǔn)度也可得到保障，有效獲取調(diào)研場地的現(xiàn)狀，現(xiàn)場直觀性得到充分展現(xiàn)，為調(diào)研工作的選擇提供了新的途徑，其可視化的成果提升了工作效率，為當(dāng)下的設(shè)計調(diào)研乃至未來的可視化規(guī)劃設(shè)計提供了資料依據(jù)。

農(nóng)村空間可視化設(shè)計調(diào)研需要對現(xiàn)狀充分認(rèn)知并分析，農(nóng)村空間的設(shè)計調(diào)研包括信息獲取、資料收集等，這是設(shè)計調(diào)研開展的必要前提條件。十九大報告提出實施農(nóng)村振興戰(zhàn)略，傳統(tǒng)調(diào)研方法由于資料的相對受限，無法全面深入地開展調(diào)研工作，導(dǎo)致了其調(diào)研的局限性，而可視化調(diào)研對后續(xù)工作的開展起著至關(guān)重要的作用，為農(nóng)村振興的建設(shè)及規(guī)劃設(shè)計的工作提供具有可操作性的資料。

5 結(jié)語

本研究利用無人機傾斜航拍技術(shù)對農(nóng)村空間進(jìn)行了可視化研究。由于我國存在較多地理信息數(shù)據(jù)缺失的農(nóng)村空間，且地貌特征較為復(fù)雜，利用本文方法可以快速將農(nóng)村空間可視化，以沙塘村作為研究基地，通過無人機外業(yè)和軟件內(nèi)業(yè)相結(jié)合的方式，將農(nóng)村空間進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，且呈現(xiàn)方式多維，包括二維矢量化和三維可視化2種呈現(xiàn)方式，全方位展現(xiàn)了調(diào)研場地的現(xiàn)狀，為設(shè)計調(diào)研尤其是當(dāng)下的可視化設(shè)計調(diào)研提供新的易行方法。

受調(diào)研設(shè)備和個人能力的限制，可視化的顆粒度僅達(dá)到厘米級，未能將可視化的顆粒度達(dá)到毫米級甚至更為精細(xì)的程度，在今后的研究中應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗并尋找解決方案。