基于無人機低空傾斜攝影測量的鄉(xiāng)村空間管理精細化研究

劉蕊 安逸飛 李衛(wèi)偉 曹浩 楊易晨

摘要：在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展要求的建設(shè)背景下，基于無人機低空攝影測量技術(shù)，支持鄉(xiāng)村空間規(guī)劃和鄉(xiāng)村空間管理工作，探索快速、高效、經(jīng)濟、方便的精細化技術(shù)方法。本文以浙江寧波余姚梁弄鎮(zhèn)橫坎頭村、北京密云河西村、北京順義漢石橋村為例，分階段介紹基于無人機低空攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地面攝影測量、地面三維激光雷達掃描等技術(shù)手段，應用各類數(shù)據(jù)處理軟件和空間信息管理軟件的配合應用，探索鄉(xiāng)村空間管理精細化內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：無人機攝影測量；鄉(xiāng)村空間；鄉(xiāng)村規(guī)劃；鄉(xiāng)村管理；精細化

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無人機傾斜攝影測量技術(shù)在近幾年的探索和應用過程中取得了很多成果，具有專業(yè)應用多樣性、再開發(fā)利用兼容性、數(shù)據(jù)精度多層性等特征；在專業(yè)應用層面涉及城市規(guī)劃、國土測繪、建筑建模、城市管理、土地利用、軌道交通、應急指揮、礦山調(diào)研、價值估算等，地表可見空間層面元素都有很多學者進行研究；在開發(fā)應用層面可以跟多種專業(yè)軟件結(jié)合，如國土空間的GIS、建筑的BIM、VR和AR的虛擬展示等軟件進行兼容，實現(xiàn)調(diào)查研究——空間建構(gòu)——項目管理——估算報價——監(jiān)督評估——再調(diào)研的閉環(huán)鏈中，具有較好的兼容性；在精度層面，根據(jù)高、中、低空飛行器的不同，形成不同的數(shù)據(jù)精度^[2]，在600m以上的高飛行采集具有效率高、pos信息精準的特點，在300—600m飛行采集具有顏色真實和高分辨率的特點，在300m以下的低飛行采集其具有顏色真實、分辨率高、精度較高的特點。

本文重點針對無人機低空傾斜攝影測量（后續(xù)簡稱為低空攝測）為主要技術(shù)方法的鄉(xiāng)村空間管理精細化研究，分為若干研究層面和若干案例，其一，以寧波梁弄鎮(zhèn)橫坎頭村－－浙江抗日根據(jù)地舊址基于無人機低空攝測的三維模型建構(gòu)+地面攝影測量，側(cè)重于鄉(xiāng)村重要單位的三維框架模型精細化和影像精細化；其二，以北京市密云河西村基于無人機低空攝測+地面攝影測量+地面激光雷達掃描在河西村的科學規(guī)劃和河西村清鎮(zhèn)寺保護的精細化數(shù)據(jù)獲取，側(cè)重于實現(xiàn)鄉(xiāng)村空間三維模型空地耦合的激光雷達數(shù)據(jù)，側(cè)重在數(shù)據(jù)的精細化；其三，以北京市順義漢石橋村基于地面攝影測量+地面激光雷達掃描結(jié)合ENVI和GIS，側(cè)重數(shù)據(jù)的精細化和管理平臺的精細化。

一、無人機低空攝影測量技術(shù)

（一）技術(shù)路線

無人機低空攝影測量技術(shù)在民用無人機高速發(fā)展的階段給城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)帶來了很大的助力，而低空攝測主要是300m以下的空間信息和數(shù)據(jù)采集，可用4軸、6軸、8軸旋翼機設(shè)備操作便捷。無人機低空攝影測量通過對二維圖像的拼合建立三維虛擬全景（VR），后者是基于傾斜攝影技術(shù)的三維模型重建，通過二維圖像的空三運算建立數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字表面模型DSM和數(shù)字高程模型DEM^[2]。

當前鄉(xiāng)村空間建構(gòu)實踐應用有兩條技術(shù)路線，其一是可以采用無人機三維激光雷達掃描+地面三維激光雷達掃描的建構(gòu)方法，但是只能形成空間的框架模型；其二是基于無人機傾斜攝影掃描+地面三維激光雷達掃描+人工影像采集的建構(gòu)方法（如圖1），既能形成框架模型，又能夠形成更為真實的現(xiàn)實模型。

（二）采集方法

采用多旋翼無人機搭載傾斜影像相機或是自帶云臺的相機的方式在低空空域?qū)ㄖ勐浠蚪ㄖ哼M行多角度拍攝，攝影測量的目的就是通過改變相機的角度測量目標物的大小、形狀和空間位置的技術(shù)。多是應用在三維模型的制作、建立地形數(shù)據(jù)庫、為各種地理系統(tǒng)或建筑系統(tǒng)提供相應數(shù)據(jù)支持。針對鄉(xiāng)村形態(tài)的管理方式來說就是利用多旋翼無人機搭載相機或激光雷達的方式對聚落進行拍攝，與傳統(tǒng)方式相比利用無人機的方式更加快捷高效，并且可以通過無人機自帶的GPS系統(tǒng)pos數(shù)據(jù)對相機懸停拍照的位置進行標記處理，獲取到完整的地理信息坐標從而建立起完整的數(shù)據(jù)庫體系對之后的規(guī)劃或底資料整理提供高精度數(shù)據(jù)支持。

在數(shù)據(jù)采集階段，首先需要深入了解所取得的樣地，需要查詢樣地是否在禁飛區(qū)，周邊地形環(huán)境是否滿足飛行條件，周邊是否有機場或敏感設(shè)施，并且飛行的區(qū)域要避開人員密集或信號復雜的場所，并對飛行當天的氣象條件進行了解，確定滿足了安全飛行的條件。

在滿足安全飛行的條件之后進行無人機飛行航線的規(guī)劃，規(guī)劃飛行航線重要的就是了解所在區(qū)域周邊環(huán)境，周邊的地形是左右航線劃歸的重要一環(huán)，如果周邊有過高建筑或山地就需要在設(shè)定時候考慮到山體遮擋以及信號丟失的問題，在確定之后就可以進行航線劃歸了，無人機的間隔拍照率也就是拍照重疊率就極為重要，對于大多數(shù)地區(qū)掃描來說無人機攝影測量的掃描橫向以及縱向重疊率應均大于80%，否則會造成數(shù)據(jù)缺失或者模型拼接出錯的問題。

（三）數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)流程在業(yè)內(nèi)的主導方式為影像數(shù)據(jù)準備——多視影響匹配——空中三角測量——多視影響密集匹配——構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)——紋理映射——實景三維模型成果。同步可以通過影像數(shù)據(jù)準備——多視影響匹配——空中三角測量——核線重采樣——影像自動匹配——生成DEM——生成單幅DOM——影像拼接裁剪——DOM成果^[3]（如圖2）。

在具體操作中首先開展數(shù)據(jù)準備，獲取無人機的POS數(shù)據(jù)，提高相片所在位置的精確角度，拼接處無人機的飛行拍攝軌跡。在獲取到無人機pos數(shù)據(jù)的同時可以通過Context Capture等三維建模軟件提取無人機拍照中的KML數(shù)據(jù)，KML數(shù)據(jù)的作用眾多但針對攝影測量來說可以導入谷歌地球了解到無人機照片的地理信息坐標。同時這些地理信息坐標也被附在了每張相片上。其二，多視影像匹配。在獲取到無人機拍攝相片的數(shù)據(jù)后就可以對無人機數(shù)據(jù)進行預處理也就是將無人機航拍的帶地理信息坐標數(shù)據(jù)的相片導入Context Capture軟件進行處理。其三，空中三角測量。形成可查看可測量的簡單模型，用作控制點的綁定與添加，控制點就是在無人機數(shù)據(jù)采集時為了提高數(shù)據(jù)的精度從而在固定地點測取的該點地理信息坐標，將這些控制點的數(shù)據(jù)再與無人機數(shù)據(jù)進行耦合可以極大地提高測繪出數(shù)據(jù)的精度，滿足測繪使用要求。其具體流程是將傾斜影像帶有的POS數(shù)據(jù)作為初始外方位元素，然后通過自動選點、自動相對定向、構(gòu)建自由航帶網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)相對空中三角測量^[4]，之后通過控制點的半自動量測，標注控制點。通過光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差實現(xiàn)絕對空中三角測量，并將整個模型納入到指定的坐標系統(tǒng)中^[5][6]。其四，多視影響密集匹配——構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)——紋理映射——實景三維模型成果實際上基于軟件的程序算法，在對三維簡單模型添加完控制點之后就是對該樣的進行實體模型建造，根據(jù)需求依此建立區(qū)域三維3mx格式模型、三維obj格式模型、二維TIF格式模型以及l(fā)as點云模型，并將這些模型進行實體處理提高精度，并可以導入GIS、SU、SCENE等軟件進行后期處理再利用，為研究提供高精度數(shù)據(jù)支持。其五，在趨向于DOM成果是，密集影響匹配后，在軟件中可操作顯示出點云構(gòu)TIN、白模生成、紋理映射、生產(chǎn)制作正射影像、數(shù)字高程模型及數(shù)字地表模型^[7]。

（四）數(shù)據(jù)整理提取

數(shù)據(jù)整理提取及應用方面相對多元豐富，可以通過三維可測算的高精度模型了解所在地區(qū)地理信息數(shù)據(jù)、地表建筑信息、道路路網(wǎng)水源管網(wǎng)等基礎(chǔ)信息，利用las點云模型對所在區(qū)域內(nèi)植被進行普查檢測，利用點云單木分割的方式獲取到坐在地區(qū)數(shù)模的數(shù)量、葉面積指數(shù)、胸徑大小等信息。利用所出的TIF模型對該地區(qū)地理信息數(shù)據(jù)進行繪制，獲取地形圖、地表建筑材質(zhì)、所在地形位置數(shù)據(jù)等信息，可謂是利用無人機傾斜攝影技術(shù)提供過層次數(shù)據(jù)，解決多層次難點。在鄉(xiāng)村空間管理方面則具體以下面四個層次為例進行說明。

二、無人機低空攝測三維框架模型精細化和影像精細化

無人機低空攝影測量模型精細化就是基于基本技術(shù)的基本技術(shù)開展的，以寧波梁弄鎮(zhèn)橫坎頭村－－浙江抗日根據(jù)地舊址為例，初步指導坎頭村重要文物建筑和文物保護單位的信息采集。

余姚梁弄鎮(zhèn)橫坎頭村為傳統(tǒng)江南地區(qū)古村落，有浙江抗日根據(jù)地舊址，是省級文物保護單位，本身為清代木結(jié)構(gòu)民居，南廂樓向東為正樓七間，正樓向西為北廂樓，正樓廂樓三間均有檐廊相通。1992年正式定名為浙東革命根據(jù)地紀念館，具有極高的建筑美學價值、歷史價值、文化價值和社會價值^[8]。本次是利用無人機攝影測量技術(shù)對浙東抗日舊址進行傾斜攝影，首先就是在了解周邊無敏感設(shè)施以及不是人員密集場所之后結(jié)合該村落普遍建筑高度進行航線測繪，為了可以對建筑山墻以及雀尾等建筑或建筑節(jié)點進行精確測繪，所以高度應該在保證安全飛行的同時降低飛行高度，并且在傾斜攝影的時候應該增加傾斜航線中傾斜角度的大小因為在無人機飛行高度固定的情況下，航拍的角度越高傾斜面拍攝的范圍就越大，同時航拍時航線離航拍物距離越遠，所以為了提高航拍精度以及數(shù)據(jù)的同時對航拍的傾斜角度進行調(diào)整，并增加航拍相片的精度。此次測繪就將重寫率設(shè)定為85%，將高度設(shè)置為30米，對該建筑群進行拍攝，并將無人機飛至100米處對該建筑群進行正射拍照，對該古村落進行高空球形全景拍攝。然后應用Context Capture進行內(nèi)業(yè)處理，形成三維空間模型（如圖3）。通過模型的真實場景再現(xiàn)，清晰的實時觀覽文保建筑的情況，同時能夠清晰地識別到后樓院落的雜亂問題，有實證根據(jù)地進行監(jiān)督、管理和開展文保工作。

三、無人機低空攝測三維數(shù)據(jù)精細化

采用多旋翼無人機和手持三軸云臺相機分別采集低空和地面的多視角影像，通過Context Capture軟件對來自地面、低空的多視角影像分別進行空中三角測量和區(qū)塊合并，形成基于多角度拍攝影像組織生成的三維影像精細化模型，引用地面激光雷達掃描儀，應用Scenc軟件和realworks軟件建立空間點云模型，地基點云和空機點云融合形成模型的數(shù)據(jù)精細化。

以北京市密云河西村為例，河西村地形四面環(huán)山，為古代長城內(nèi)軍屯之地，同時河西村也是具有古老文化，大量傳統(tǒng)建筑古跡的古村落，具有深厚的文化底蘊以及歷史風貌，本次是對河西村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集以及三維實景模型制作，所以針對本次需求制定了實際方案。

針對村莊的數(shù)據(jù)采集較為高效的方式就是利用無人機搭載傾斜五鏡頭相機的方式對該村村域內(nèi)進行大面積、低空、高精度傾斜攝影，對地勢起伏較大的片區(qū)進習手動飛行與無人機地面站航點飛行相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)采集，由于當?shù)卮罅拷ㄖ閭鹘y(tǒng)古村落樣貌，所以樓高平均為5—6米的單層硬山頂建筑，所以對掃描來說應該降低無人機飛行高度，達到提高拍攝精度的作用，因為古跡眾多，無人機由于飛行高度原因很難達到人視角拍攝所以應該結(jié)合地基拍攝也就是通過地基激光雷達掃描與空基傾斜攝影相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)采集，并針對這一特點，進行空基與地基相結(jié)合的三維建模方式。

在內(nèi)業(yè)處理階段由于結(jié)合了地基采集數(shù)據(jù)可以將數(shù)據(jù)應用于古建筑測繪，三維建模貼圖，在外業(yè)技術(shù)后利用全景軟件將二維全景相片處理成可以VR展示的全景體感模型（如圖4），利用Context Capture和PIX4D軟件將傾斜攝影數(shù)據(jù)制作成三維點云模型以及可測繪三維實體模型。建立高精度的矢量模型用于保護研究以及鄉(xiāng)村數(shù)據(jù)資料集的制作。達到不但對古村落建模也同樣對單體古建筑進行精細建模，利用VR軟件將STL格式文件進行轉(zhuǎn)換可以制作出通過頭戴式VR設(shè)備進行沉浸式體驗。

四、無人機低空攝測三維管理平臺精細化

無人機低空攝測三維管理平臺是基于無人機搭載傾斜相機對項目地進行航線設(shè)定拍攝，再手動飛行無人機對重要的細節(jié)進行不同高度不同角度的傾斜攝影拍攝，達到重要節(jié)點精細建模。后續(xù)生成項目的DOM成果，導出TIFF格式，用于三維管理平臺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再用ENVI、GIS空間地理信息處理軟件，將柵格化TIF文件進行矢量化處理，然后分類處理，分為各類圖斑，進行指標管理和三維空間數(shù)據(jù)管理。

同步利用空基激光雷達對建筑外立面進行點云掃描，并且利用FARO地基激光雷達對建筑內(nèi)部以及外圍進行定點掃描，這樣可以直接獲取到古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及檐下木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的精細點云數(shù)據(jù)。在掃描后將空基激光雷達數(shù)據(jù)與地基激光雷達技術(shù)數(shù)據(jù)同時導入real work軟件進行耦合處理，這樣在獲取到內(nèi)部高精度數(shù)據(jù)同時也獲取到建筑外部尤其是頂部高精度數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)結(jié)合的無縫銜接。將耦合后的點云數(shù)據(jù)進行結(jié)膜處理，將點云模型變成實體原比例三維模型，這個模型就是三維管理平臺的激光雷達數(shù)據(jù)。

運用最大似然法對正射影像（DOM）進行監(jiān)督分類，通過ENVI、GIS空間地理信息處理軟件，將柵格化TIF文件進行矢量化處理，然后分類處理，分為各類用地圖斑，提取圖斑進行對比分析，建設(shè)對比圖斑包括了合法與非法的建設(shè)點，需要根據(jù)實際情況對其篩選與分類，對鄉(xiāng)村建設(shè)進行監(jiān)督管理^[9]。

上述方法在北京市順義楊鎮(zhèn)多村進行操作，如在漢石橋村宅基地施工和建設(shè)過程中，將建構(gòu)筑物三維模型和GIS管理平臺數(shù)據(jù)庫對應，關(guān)聯(lián)建設(shè)內(nèi)容的屬性信息，將現(xiàn)狀和平臺數(shù)據(jù)信息對比，對應變化，同時分類錄入數(shù)據(jù)庫。在使用無人機航測過程中，對比發(fā)現(xiàn)的問題和違規(guī)建設(shè)點，并督促拆遷進度，這些工作通過技術(shù)手段為美麗鄉(xiāng)村的管理提供依據(jù)。

通過傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建鄉(xiāng)村空間三維模型，簡化了一系列鄉(xiāng)村現(xiàn)場工作流程。同時，運用GIS，ENVI平臺實現(xiàn)了農(nóng)房建設(shè)數(shù)據(jù)的高效處理與科學管理，同時便于數(shù)據(jù)的分類存儲、查閱、交換與共享^[9]。此外，實景三維模型可為村莊規(guī)劃、村莊風貌、村莊環(huán)境、村莊機理、古建保護等提供數(shù)據(jù)支持，逐步推進“數(shù)字鄉(xiāng)村”“智慧鄉(xiāng)村”的建設(shè)。

五、小結(jié)

無人機低空傾斜攝影測量在城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域已經(jīng)有了多方面的應用和技術(shù)研究，但是基于鄉(xiāng)村空間管理精細化研究工作開展較少，多基于個別的傳統(tǒng)村落。本文探索在我國大多數(shù)鄉(xiāng)村中應用鄉(xiāng)村空間管理平臺，將更加有效地分析我國鄉(xiāng)村的發(fā)展趨勢。同時，結(jié)合我國百年大計實現(xiàn)之際和新百年開展之際，進行精細化管理是“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”和“高質(zhì)量”發(fā)展的趨勢，能夠?qū)︵l(xiāng)村空間進行實時的和定時的空間數(shù)據(jù)獲取和分析，有利于鄉(xiāng)村開展有序規(guī)劃、建設(shè)和管理工作。

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Fine Research on Rural Space Management Based on UAV Low-altitude Tilt Photogrammetry

LIU?Rui， AN Yifei， LI?Weiwei， CAO?Hao， YANG?Yichen

（Department of Urban Construction， Beijing City University， Beijing 100083， China; Beijing Institute of Cultural Heritage， Beijing Institute of Archaeology， Beijing 100009， China）

Abstract： Under the construction background of beautiful rural construction and high-quality development requirements， based on the unmanned aerial vehicle low-altitude photogrammetry technology， we support the rural space planning and rural space management work， and explore the fast， efficient， economical and convenient refined technical methods. With Hengkantou Village， Liangnong Town， Yuyao， Ningbo， Zhejiang Province， Miyun Hexi Village， Beijing， and Hanshiqiao Village， Shunyi， Beijing as examples， this article introduces the combined application of various data processing software and spatial information management software， and explores the refinement of rural spatial management content?based on drone low altitude photogrammetry technology， combined with ground photogrammetry， ground 3D LiDAR scanning and other technical means.

Key words： UAV photogrammetry; rural space; rural planning; rural management; refinement

（責任編輯：侯凈雯）

收稿日期：2022-09-25

作者簡介：劉蕊（1979-），女，河南人，副教授，碩士，主要研究方向：歷史文化遺產(chǎn)保護、城市規(guī)劃與設(shè)計、村莊規(guī)劃設(shè)計。

安逸飛 （ 1996 － ） ，男，北京人，攝影測量員，本科，主要研究方向： 無人機三維建模、激光雷達點云技術(shù)、無人機航測技術(shù)。

基金支持：本研究受北京高校卓越青年科學家項目（JJWZYJH01201910003010）。