無人機(jī)傾斜攝影的三維重建技術(shù)在鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

邱 峰 劉微微

建設(shè)美麗鄉(xiāng)村是我國鄉(xiāng)村振興政策的重要目標(biāo)。在傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師通常需要進(jìn)行多次現(xiàn)場調(diào)研，內(nèi)容包括村莊基本情況、周邊概況和場地條件等。由于場地范圍較大，調(diào)研時(shí)要投入大量人力和物力，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期較長，前期投入成本較高。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，民用無人機(jī)逐漸進(jìn)入消費(fèi)市場。利用無人機(jī)傾斜攝影獲得帶有坐標(biāo)的多圖像影像，可獲取空間尺寸數(shù)據(jù)并構(gòu)建三維空間模型，還原真實(shí)場地情況。一些研究者已在鄉(xiāng)村振興項(xiàng)目中應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)。如吳寧博士及其研究團(tuán)隊(duì)利用無人機(jī)攝影技術(shù)開展了大量應(yīng)用實(shí)踐，用無人機(jī)自動(dòng)場地巡視和古建筑三維保護(hù)等。通過無人機(jī)航拍技術(shù)，采集了浙江省部分鄉(xiāng)村的影像和數(shù)據(jù)，有效驗(yàn)證了無人機(jī)傾斜攝影在鄉(xiāng)村規(guī)劃和古建筑保護(hù)領(lǐng)域的積極作用。

雖然許多景觀設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)用無人機(jī)進(jìn)行前期設(shè)計(jì)調(diào)研，但主要用于場地觀察，并未涉及三維空間模型的應(yīng)用。目前，基于無人機(jī)攝影三維重建技術(shù)的鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)，仍然處于探索階段，主要原因是缺乏專業(yè)無人機(jī)航拍人員和三維空間數(shù)據(jù)處理工程師，不重視數(shù)字化技術(shù)和新媒體技術(shù)的應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影的三維重建技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影三維建模是近年來無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成果。該技術(shù)一方面通過無人機(jī)飛行器的高清攝影頭，分別從5 個(gè)不同角度采集指定空間范圍內(nèi)的對象數(shù)據(jù)。采集位置和角度包括1 個(gè)垂直地面的角度和4 個(gè)與地面成15°～45°的傾斜角度。采集對象包括空間范圍內(nèi)一切客觀存在的物體，如地貌環(huán)境、建筑、人物和交通工具等。另一方面，利用影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息重構(gòu)三維空間模型。對無人機(jī)拍攝的多組影像內(nèi)容進(jìn)行剪輯和拼接，生成數(shù)字正射影像模型（Digital Orthophoto Model，DOM）和數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）等[1]。構(gòu)建出的虛擬三維空間模型不僅有利于設(shè)計(jì)人員測量數(shù)據(jù)，而且能夠作為直觀的三維動(dòng)態(tài)交互系統(tǒng)。

目前，該技術(shù)方案已經(jīng)成功應(yīng)用于鄉(xiāng)村振興項(xiàng)目，成為鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)中獲取前期資料的一種重要輔助手段，為方案設(shè)計(jì)提供了更精確的數(shù)據(jù)資料。為獲取更加完整的地物側(cè)面紋理信息，利用無人機(jī)搭載的攝像頭從垂直和傾斜等多個(gè)角度采集影像，同時(shí)增加航帶間的重疊度，使重疊度達(dá)到60%以上。無人機(jī)影像和數(shù)據(jù)處理可以使用傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件，如實(shí)景建模CC 軟件。

1.1 技術(shù)優(yōu)勢

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)拍攝的影像資料能真實(shí)反映空間環(huán)境，解決無法還原場地周邊環(huán)境而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)方案與實(shí)際環(huán)境脫節(jié)的問題。將三維建模技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)，獲得更好的應(yīng)用效果。

在鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)過程中，無人機(jī)傾斜攝影可準(zhǔn)確測量空間尺寸。無人機(jī)拍攝的影像帶有坐標(biāo)數(shù)據(jù)，由影像拼接成的三維空間模型經(jīng)科學(xué)計(jì)算，因此模型的誤差較小。在傳統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)過程中，場地?cái)?shù)據(jù)由人工測量，條件和工具的限制使測量周期較長，且誤差較大。利用三維空間模型測量場地?cái)?shù)據(jù)，既方便又準(zhǔn)確。無人機(jī)傾斜攝影甚至可采集空間范圍內(nèi)建筑和景觀構(gòu)筑物的材質(zhì)和紋路，便于景觀方案的設(shè)計(jì)。此外，重構(gòu)三維空間模型是網(wǎng)格片面化拼接的模型，并非在設(shè)計(jì)軟件中建立的模型，能有效避免模型儲存空間過大問題。重構(gòu)三維模型還可進(jìn)行壓縮處理，易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[2]。

1.2 實(shí)現(xiàn)路徑

無人機(jī)傾斜攝影三維重建技術(shù)包括無人機(jī)采集數(shù)據(jù)和重構(gòu)空間模型2個(gè)主要部分。無人機(jī)傾斜攝影三維重建空間技術(shù)路線圖如圖1 所示，詳細(xì)展示了三維空間模型重建的基本流程。無人機(jī)采集數(shù)據(jù)是指使用無人機(jī)采集帶有地理空間坐標(biāo)的圖片和數(shù)據(jù)。本文使用精靈Phantom 4 無人機(jī)進(jìn)行航拍和傾斜攝影，以采集景觀空間的相關(guān)數(shù)據(jù)信息并在Altizure 平臺上設(shè)置無人機(jī)的自動(dòng)航線。航線設(shè)置要確保采集的圖像和信息完整，而且要保證相鄰圖像有一定重疊，為后續(xù)的三維空間重構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影三維重建空間技術(shù)路線圖（來源：作者自繪）

將采集的影像和圖片導(dǎo)入CC 軟件。首先，要檢測影像和圖片的質(zhì)量，剔除不合格的影像和圖片。其次，根據(jù)實(shí)際情況選擇坐標(biāo)系和設(shè)置算法。最后，在軟件中進(jìn)行空中三角測量計(jì)算，提取影像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息進(jìn)行空間匹配和排列，推算影像圖片的空間位置，生成點(diǎn)云圖。軟件生成點(diǎn)云分布后，開始構(gòu)建三維模型。在實(shí)景照片自動(dòng)合成模型的過程中，會出現(xiàn)三維模型拉花、破面或垃圾物遮擋等問題，需利用3ds Max 和C4D 等三維軟件進(jìn)行修復(fù)。構(gòu)建的三維模型可以導(dǎo)入不同平臺進(jìn)行展示[3]。將模型導(dǎo)入Acute3D Viewer 軟件，可進(jìn)行模型展示和測量。此外，在模型中融入其他信息內(nèi)容，可形成數(shù)字化可視平臺。

2 無人機(jī)傾斜攝影的三維重建技術(shù)在麻蓬村景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

景觀設(shè)計(jì)場地為浙江省衢州市柯城區(qū)石梁鎮(zhèn)麻蓬村中心廣場。在進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影之前，要調(diào)查場地情況，確保無人機(jī)能夠正常采集數(shù)據(jù)。探查石梁鎮(zhèn)的禁飛區(qū)，了解到麻蓬村不屬于禁飛區(qū)，但屬于限高飛行區(qū)域，限制飛行高度為120 m。

確定無人機(jī)可以正常飛行后，進(jìn)行場地實(shí)地調(diào)研，確定無人機(jī)航拍的具體范圍和高度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，了解到中心廣場區(qū)域的景觀設(shè)施初具規(guī)模，包括亭廊、水景、植被、雕塑小品及停車場等。

通過現(xiàn)場調(diào)研可知，需要航拍的范圍東西長80 m，南北長200 m，呈矩形形態(tài)分布。航拍區(qū)域內(nèi)無高層建筑，但區(qū)域內(nèi)的香樟樹可能會對無人機(jī)飛行造成一定干擾，因此將無人機(jī)的最低飛行高度設(shè)置為60 m 以上。這樣既可以躲避飛行障礙物，又可以獲得精度較高的影像數(shù)據(jù)。

2.2 飛行航線任務(wù)規(guī)劃和圖像采集

無人機(jī)航拍影像的質(zhì)量對三維建模的精度起著決定性作用，會直接影響三維模型的效果。航拍影像的質(zhì)量受天氣影響較大。在光照強(qiáng)烈的中午進(jìn)行航拍，會導(dǎo)致影像曝光過度。暴雨或強(qiáng)風(fēng)天氣不但會影響無人機(jī)的安全性，導(dǎo)致其失控墜毀，而且會使影像模糊，質(zhì)量不佳。因此，本次無人機(jī)航拍在無風(fēng)無雨的天氣進(jìn)行，航拍時(shí)間選擇在09：00。在實(shí)際起飛前，要進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備和檢測，具體操作流程如下：

1）準(zhǔn)備和檢查飛行設(shè)備。一方面要確認(rèn)無人機(jī)的電池電量，若電池電量不足應(yīng)及時(shí)補(bǔ)滿，同時(shí)準(zhǔn)備備用電池。另一方面要檢查無人機(jī)設(shè)備。村莊內(nèi)有大量村民和游客，為避免無人機(jī)發(fā)生意外墜毀或傷人，在飛行前要仔細(xì)檢查無人機(jī)螺旋槳是否固定牢固，無人機(jī)與手柄連接是否通暢。

2）選定起飛點(diǎn)和降落地點(diǎn)。無人機(jī)的起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在較為空曠的區(qū)域。麻蓬村中心廣場的人流量較大，植被和建筑物較多，不適合無人機(jī)起飛和降落。停車場區(qū)域的車輛較少，人流量較小，空間較為開闊，具備無人機(jī)起飛和降落的條件。

3）設(shè)置航測參數(shù)。根據(jù)三維建模區(qū)域的需要，在Altizure 軟件中設(shè)置無人機(jī)的飛行航拍范圍、自動(dòng)航拍路線數(shù)量與方向、拍攝影像的傾斜角度與物體重疊度以及無人機(jī)高度等技術(shù)參數(shù)。航拍區(qū)域內(nèi)的物體較為復(fù)雜且紋理豐富，因此將本次航拍的影像重疊率設(shè)置為85%，以保證后期三維模型的精確度。

4）執(zhí)行航拍飛行。相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢后，無人機(jī)自動(dòng)執(zhí)行航拍任務(wù)，由操作人員監(jiān)視無人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行情況。在飛行過程中，操作人員需要重點(diǎn)關(guān)注無人機(jī)的電量和任務(wù)完成程度，確保無人機(jī)順利完成預(yù)定任務(wù)并及時(shí)返航。根據(jù)三維建模精度的需求，分別設(shè)置了60 m、80 m 和100 m 這3 種高度的航拍飛行任務(wù)，以獲得較為全面的空間數(shù)據(jù)。

2.3 航拍影像三維空間重建

航拍結(jié)束后，根據(jù)采集的影像和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間重建。由于天氣原因可能會造成影像的感光和色彩差異較大，要利用ACDSee 軟件對影像和圖片進(jìn)行初篩和處理。本次飛行時(shí)間為09 : 00，接近中午時(shí)陽光較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致部分影像和照片曝光過度，需要調(diào)整其感光度，消除曝光造成的圖片差異。

在CC軟件中導(dǎo)入篩選后的圖片，檢測圖片的坐標(biāo)信息和完整性。檢測無誤后打開運(yùn)算引擎，設(shè)置輸出格式和運(yùn)算方式，開始空中三角測量（以下簡稱空三測量）運(yùn)算[4]。軟件自動(dòng)對影像圖片信息進(jìn)行匹配、處理和運(yùn)算，并結(jié)合圖片的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)排列。圖像匹配完成后，軟件視窗中會顯示航片的矩陣排列模型。

在空三測量過程中，軟件自動(dòng)計(jì)算圖片數(shù)據(jù)信息并結(jié)合定位定向系統(tǒng)（Position & Orientation System，POS）提供的影像地理數(shù)據(jù)，測算每張影像的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在同一空間參考系下，軟件會推算出影像的點(diǎn)云位置分布狀態(tài)，并在三維視圖中展示麻蓬村中心廣場的區(qū)域特征。

空三測量結(jié)束后，開始構(gòu)建三維模型。由于計(jì)算機(jī)硬件條件限制，要進(jìn)行分區(qū)域建模，以提高建模速度。無人機(jī)拍攝影像存在重疊區(qū)域，導(dǎo)致實(shí)景模型出現(xiàn)水體破面和部分建筑邊緣扭曲等問題，需要將模型導(dǎo)入3ds Max 軟件進(jìn)行模型修整。

利用3ds Max 軟件修復(fù)模型時(shí)，要盡量保證空間的完整性和準(zhǔn)確性，必要時(shí)可去除多余對象，使模型簡潔。將修復(fù)后的模型導(dǎo)入Acute3D Viewer軟件，進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)和測量。

該三維模型能夠反映廣場空間周邊的真實(shí)情況。通過模型可以看到場地范圍界線清晰，景觀水系依地勢而建，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰，交通較為順暢，溪邊步行道路植被較多且層次豐富。但是，停車場規(guī)劃過于簡單，未與周邊環(huán)境形成很好的呼應(yīng)，而且綠化植被較少，地面硬化較多，缺乏空間過渡。

3 無人機(jī)傾斜攝影的三維重建技術(shù)存在的問題

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維空間重建被越來越多地應(yīng)用于城市建設(shè)規(guī)劃和土地測量。但是，無人機(jī)飛行和三維空間重建還存在一定問題，導(dǎo)致無人機(jī)傾斜攝影三維重建具有不確定和不可控的風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.1 無人機(jī)飛行問題

無人機(jī)飛行存在法律風(fēng)險(xiǎn)和飛行安全問題。無人機(jī)飛行受到國家管控，設(shè)有禁飛區(qū)和限高飛行區(qū)，并非所有場地都可以無限制飛行。由于飛行管理限制，在無人機(jī)飛行前，要向相關(guān)部門申報(bào)，取得合法的飛行許可后才可以執(zhí)行飛行任務(wù)。

在鄉(xiāng)村進(jìn)行無人機(jī)飛行時(shí)，要注意飛行安全。由于場地尺度較大，飛行高度較高，無人機(jī)與地面飛行手的聯(lián)系可能出現(xiàn)延時(shí)或中斷的問題，這會增加無人機(jī)與其他物體發(fā)生碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，無人機(jī)要具備智能避障功能，盡量減少安全問題的發(fā)生。

此外，無人機(jī)在極端氣象條件下飛行會影響飛行效率和飛行安全。由于無人機(jī)自重較輕，因此在風(fēng)雨天飛行時(shí)的穩(wěn)定性較差，容易受到氣流影響，使得無人機(jī)出現(xiàn)拍照不穩(wěn)定、排列不整齊和拍攝模糊的問題，影響圖像的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。

3.2 三維模型構(gòu)建問題

在三維空間重構(gòu)過程中，三維數(shù)據(jù)的存儲、分析和渲染技術(shù)有待提高。建立的點(diǎn)云分布多面體模型的坐標(biāo)系不統(tǒng)一，導(dǎo)致模型的兼容性較差，無法導(dǎo)入部分三維建模軟件?；跓o人機(jī)航拍圖像生成的三維點(diǎn)云分布和三維空間模型，數(shù)據(jù)體量較大，一般的計(jì)算機(jī)無法完成計(jì)算和渲染工作，需要使用工作站的計(jì)算機(jī)。此外，渲染后的模型面數(shù)過多，占用儲存空間較大，導(dǎo)入其他軟件時(shí)會產(chǎn)生卡頓或無法顯示，需要借助簡化工具將高精度模型變?yōu)榈途饶Ｐ停瑢?dǎo)致工作效率大打折扣。

4 結(jié)語

美麗鄉(xiāng)村建設(shè)離不開鄉(xiāng)村景觀的設(shè)計(jì)和打造，充分調(diào)研是開展鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)工作的前提條件。傳統(tǒng)的測量方式和三維軟件建模具有一定局限性，設(shè)計(jì)師需要在前期場地調(diào)研上花費(fèi)大量時(shí)間和精力。無人機(jī)數(shù)據(jù)傳播和處理技術(shù)的提升，能很好地解決鄉(xiāng)村景觀設(shè)計(jì)面臨的問題，為新農(nóng)村的建設(shè)和發(fā)展提供了一種新的思路和方法[5]。無人機(jī)傾斜攝影三維重建技術(shù)，通過無人機(jī)低空飛行采集相關(guān)圖像，利用CC 軟件自動(dòng)建立三維空間模型，能夠有效提高景觀設(shè)計(jì)師的工作效率。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集，直觀且準(zhǔn)確地反映場地現(xiàn)狀，滿足鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的需求，為鄉(xiāng)村景觀的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。