近十年來無人機(jī)攝影測量在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用研究

蔣 勇 顏 佳 王玉萍 董一凡

（深圳奧雅設(shè)計股份有限公司，深圳 518000）

隨著輕型旋翼無人機(jī)的商業(yè)化普及，攝影測量以高效率、靈活快捷、作業(yè)成本低等優(yōu)點(diǎn)在三維實(shí)景重建和工程測量中得到廣泛應(yīng)用。借助CiteSpace文獻(xiàn)計量工具，系統(tǒng)梳理了2010 - 2022年期間國內(nèi)外攝影測量技術(shù)在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，并結(jié)合近1萬hm2的三維實(shí)景重建與應(yīng)用經(jīng)驗，詳細(xì)闡述其基本操作原理、全流程軟件的使用及應(yīng)用場景。研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)攝影測量研究的前沿?zé)狳c(diǎn)可概括為測量技術(shù)研究與應(yīng)用場景開發(fā)兩個方面。無人機(jī)攝影測量生成的“4D”數(shù)字化產(chǎn)品主要包括數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）與數(shù)字線劃地圖（DLG），其應(yīng)用主要集中在5個方面，分別是高精度地理空間數(shù)據(jù)測量、三維空間數(shù)據(jù)分析及可視化、風(fēng)景遺產(chǎn)資源保護(hù)與利用、林業(yè)及生態(tài)資源量化研究以及工程系統(tǒng)信息模型構(gòu)建。未來，隨著以人工智能為代表的一批新興信息技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)攝影測量將會支持以量化研究為基礎(chǔ)的應(yīng)用拓展、支持集成化的風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計工作流、支持虛實(shí)融合的風(fēng)景園林空間體驗，并進(jìn)一步促進(jìn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

風(fēng)景園林；無人機(jī)；攝影測量；三維實(shí)景模型；CiteSpace；應(yīng)用研究

在設(shè)計工作初期的調(diào)研階段，調(diào)查者大多使用拍照標(biāo)記、經(jīng)緯度記錄等傳統(tǒng)勘察方式，使用這些方法所收集到的圖片、文字等資料往往會存在碎片化、難以整理、可讀性不強(qiáng)、時效性低等方面的弊端。目前，風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計工作面臨的空間系統(tǒng)日趨復(fù)雜，設(shè)計師通常需要獲取更高顆粒度的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析及數(shù)據(jù)表達(dá)[1]，從而讓項目場地信息更加直觀、高效地被設(shè)計參與者理解與感知[2]。因此，獲取更加精準(zhǔn)、高時效的空間物理環(huán)境信息（紋理、色彩及結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)[3]，是設(shè)計流程中所亟需的。除此之外，面對建成環(huán)境空間的復(fù)雜性問題，精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析是提高規(guī)劃與設(shè)計科學(xué)性的基礎(chǔ)。有學(xué)者提出了數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計[4]、計算性城市設(shè)計[5]等概念，這為規(guī)劃與設(shè)計過程提供了分析及評價的量化方法與思路，而空間量化分析是基于高精度、可分類識別的物理空間數(shù)據(jù)。在風(fēng)景園林技術(shù)科學(xué)研究領(lǐng)域，劉頌等[6]學(xué)者于第14屆“國際數(shù)字景觀”大會中總結(jié)強(qiáng)調(diào)了無人機(jī)攝影測量技術(shù)的發(fā)展可以為項目提供高精度的地理信息數(shù)據(jù)，且其具有低成本、高時效、高精度的特點(diǎn)，這為風(fēng)景園林行業(yè)的“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”帶來了新的發(fā)展機(jī)遇[7-8]。此外，有研究統(tǒng)計了近10年發(fā)表的數(shù)字景觀相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在“數(shù)據(jù)與工具”研究領(lǐng)域中，無人機(jī)遙感測繪、數(shù)據(jù)可視化以及地理信息系統(tǒng)等研究應(yīng)用的趨勢正在日益突顯[9]。

新型科技企業(yè)向傳統(tǒng)測繪行業(yè)的跨界推進(jìn)了測繪“平民化”市場的發(fā)展，如大疆公司先后推出的精靈4RTK、DJI Terra、DJI M300RTK[10]等無人機(jī)機(jī)型，使無人機(jī)測繪在工程勘探設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了快速發(fā)展。在測繪科學(xué)領(lǐng)域，攝影測量是傳統(tǒng)測繪學(xué)下的一個分支學(xué)科，其研究內(nèi)容主要是測制地形圖并建立地理信息數(shù)據(jù)庫，為工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)[11]，基本原理是對傾斜影像進(jìn)行分析和整理，輸出相應(yīng)成果[12]。而無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)（UAV Remote Sensing System，UAVRSS），是以UAV為平臺在高空獲取遙感影像、視頻等數(shù)據(jù)的航空遙感與攝影測量系統(tǒng)[13]。輕便型無人機(jī)發(fā)展使獲取更高精度、更高時效性的立體三維地理數(shù)據(jù)變得更加便捷[14]。有研究人員探索了無人機(jī)測量的技術(shù)方法、數(shù)據(jù)處理流程及在景觀規(guī)劃與設(shè)計實(shí)踐的全過程[15]，隨著“數(shù)字景觀”快速推廣，無人機(jī)攝影測量技術(shù)在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用場景迅速拓展至城市公共空間設(shè)計、市政公園綠地規(guī)劃與設(shè)計、城市更新與古城修復(fù)等領(lǐng)域。綜上所述，為了進(jìn)一步探索其熱門應(yīng)用場景及未來發(fā)展趨勢，文章通過文獻(xiàn)計量分析與實(shí)踐經(jīng)驗總結(jié)的方法，對該技術(shù)及其應(yīng)用場景展開研究。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

無人機(jī)攝影測量涉及的技術(shù)領(lǐng)域繁多，應(yīng)用場景廣泛。首先，為了更加充分地探索該技術(shù)在空間數(shù)字化領(lǐng)域的應(yīng)用，采用知識圖譜分析法對攝影測量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析。其次，在結(jié)合大量的無人機(jī)攝影測量實(shí)踐經(jīng)驗的前提下，本文使用歸納總結(jié)法對無人機(jī)攝影測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程及應(yīng)用場景進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理與拓展。

本文進(jìn)行知識圖譜分析所使用的軟件是CiteSpace，它是一款能夠進(jìn)行研究合作網(wǎng)絡(luò)、共現(xiàn)、被引和文獻(xiàn)耦合等分析的知識圖譜計算軟件，可處理的數(shù)據(jù)源包括Web of Science（WoS）、SCOPUS、CNKI、RCI和KCI等[16]。本文主要使用CiteSpace軟件進(jìn)行了關(guān)鍵詞聚類分析、關(guān)鍵詞時間線分析及關(guān)鍵詞突變分析。關(guān)鍵詞聚類分析能夠利用文本中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞對文本進(jìn)行分類和聚類，從而揭示在大量文本中潛藏的模式和規(guī)律；關(guān)鍵詞時間線分析主要是在聚類的基礎(chǔ)上反映出各聚類出現(xiàn)的時間；關(guān)鍵詞突變分析則是能夠反映各關(guān)鍵詞出現(xiàn)的起止時間與持續(xù)時長。本文的整體研究框架如圖1。

圖1 研究技術(shù)線路Fig.1 Technical lines

2 無人機(jī)攝影測量研究熱點(diǎn)

2.1 基于CiteSpace文獻(xiàn)計量分析

將CNKI核心數(shù)據(jù)庫、WoS核心數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，將發(fā)表時間設(shè)置為2010 - 2022年，提取能夠表達(dá)文獻(xiàn)核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞并統(tǒng)計其頻次的高低分布，以此來分析無人機(jī)攝影測量相關(guān)研究的熱點(diǎn)和趨勢。

2.1.1 CNKI 數(shù)據(jù)庫

基于CNKI檢索核心期刊數(shù)據(jù)，以“攝影測量技術(shù)應(yīng)用”為主題，選取關(guān)鍵詞為“攝影測量” and “城市” or “景觀” or “風(fēng)景園林” or “生態(tài)” or “林業(yè)” or “植物” or “建筑” or “遺產(chǎn)資源” or “施工” or “工程”方向的應(yīng)用，篩選期刊來源為CSSCI、北大中文核心期刊以及CSCD的核心期刊，共得到2010 - 2022年期間發(fā)表的文獻(xiàn)882條（圖2）。

圖2 CNKI核心期刊發(fā)表時間Fig.2 Publication timeline of CNKI core journals

將CiteSpace計算節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“keywords”，分別針對關(guān)鍵詞的聚類、時間線及突變?nèi)齻€方面進(jìn)行了分析。據(jù)關(guān)鍵詞聚類圖（圖3）可知，所選文獻(xiàn)共聚類出8大聚類，集中體現(xiàn)在“數(shù)字?jǐn)z影測量”“精度控制”與“信息提取”。該結(jié)果反映出在攝影測量應(yīng)用中，已有的研究對測圖精度控制及地理信息提取這兩個領(lǐng)域有較多的關(guān)注。時間線圖（圖4）顯示，2010年之前的研究聚焦于攝影測量、三維建模以及遙感相關(guān)技術(shù)，多是測繪行業(yè)本身的技術(shù)發(fā)展；2013年，隨著輕型無人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，學(xué)界逐漸出現(xiàn)了無人機(jī)攝影測量及遙感系統(tǒng)相關(guān)的研究；2015年后，又逐漸產(chǎn)生了攝影測量技術(shù)在工程測量、森林調(diào)查、古建筑繪圖等相關(guān)方向的應(yīng)用，這體現(xiàn)了技術(shù)與應(yīng)用研究的相互促進(jìn)關(guān)系。

圖3 CNKI核心期刊關(guān)鍵詞聚類圖Fig.3 Clustering diagram of keywords for CNKI core journals

圖4 CNKI核心期刊關(guān)鍵詞時間線圖Fig.4 Timeline of keywords for CNKI core journals

據(jù)關(guān)鍵詞突變圖（圖5）可知，2010 - 2015年期間，無人機(jī)攝影測量技術(shù)的相關(guān)研究主要聚焦在測圖精度控制與像控點(diǎn)等方面，其具體的應(yīng)用則主要集中在工程施工領(lǐng)域，例如滑坡處理、結(jié)構(gòu)面測量、巖體工程等。2017年以后的攝影測量技術(shù)研究大多聚焦于精度分析、像控點(diǎn)布控、模型單體化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)面處理等領(lǐng)域。這一時期，得益于無人機(jī)飛行系統(tǒng)與軟件技術(shù)的快速發(fā)展及更新迭代，無人機(jī)攝影測量技術(shù)在工程相關(guān)行業(yè)迎來了應(yīng)用熱潮，應(yīng)用場景逐步拓展至景觀測繪、工程測量、森林調(diào)查、建筑測繪、繪制地形圖、滑坡處理、變形監(jiān)測、巖土工程等相關(guān)領(lǐng)域。

圖5 CNKI核心期刊關(guān)鍵詞突變圖Fig.5 Diagram of keywords mutations for CNKI core journals

2.1.2 Web of Science數(shù)據(jù)庫

英文文獻(xiàn)計量研究的數(shù)據(jù)來源主要是WoS核心合集數(shù)據(jù)庫Science Citation Index Expanded（SCIE）與Social Sciences Citation Index（SSCI）。以“Photogrammetry in landscape architecture”為主題，檢索式定位為TS=（*photogrammetry AND *landscape architecture or *plant or *design or *engineering or *city），剔除無效文章后，總共檢索結(jié)果有1 924篇（圖6）。

圖6 WoS核心期刊發(fā)表時間Fig.6 Publication timeline of core journals in WoS

將CiteSpace計算節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“keywords”，同樣針對關(guān)鍵詞的聚類、時間線及突變?nèi)齻€方面進(jìn)行了分析。據(jù)關(guān)鍵詞聚類圖（圖7）可知，所選文獻(xiàn)共聚類出了19個聚類，如“global application、airborne laser、plant responses、comparative study、civil infrastructure”等，因此，其研究的集中度相較只有8個聚類的中文CNKI數(shù)據(jù)庫來說更加分散。觀察時間線圖（圖8）可以看出，諸如“camera calibration”“caser scanner”“computer vision”“close range photogrammetry”等與攝影測量技術(shù)相關(guān)的研究主要出現(xiàn)在2010年左右，該類研究更多地聚焦于攝影測量系統(tǒng)、激光掃描、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。同時，結(jié)合計算機(jī)視覺、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖像分割等深度學(xué)習(xí)算法與技術(shù)，攝影測量技術(shù)在這一時期得到了快速發(fā)展。2015年后，攝影測量相關(guān)的研究大多聚焦于“BIM（Building Information Modeling）”“virtual reality”“augmented reality”等新興應(yīng)用領(lǐng)域，此時期的攝影測量在新興技術(shù)的加持下形成了新的生產(chǎn)工作流。

圖8 WoS核心期刊時間線圖Fig.8 Timeline of keywords for WoS core journals

在關(guān)鍵詞突變分析（圖9）中共出現(xiàn)了“digital photogrammetry”“close range photogrammetry”“machine learning”“terrestrial laser scanning”“vegetation index”等25個關(guān)鍵詞。由圖9可知，2010 - 2015年，攝影測量相關(guān)的研究主要關(guān)注的是基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域。隨著計算機(jī)圖形相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該時期的研究中逐漸出現(xiàn)了“機(jī)器學(xué)習(xí)”“無人機(jī)系統(tǒng)”“機(jī)載 LiDAR”“虛擬現(xiàn)實(shí)”“數(shù)字?jǐn)z影”“城市建?！薄?D打印”等與新興技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵詞。這些新技術(shù)拓寬了攝影測量技術(shù)的邊界，使其應(yīng)用場景也相應(yīng)地拓展至了植被測算、逆向工程、遺產(chǎn)保護(hù)、河流監(jiān)測、巖土工程、實(shí)景地圖、生物多樣性等多個方面。

圖9 WoS核心期刊關(guān)鍵詞突變圖Fig.9 Diagram of keywords mutations for WoS core journals

2.2 基于實(shí)踐操作的經(jīng)驗概述

實(shí)踐研究是不斷創(chuàng)新思想、理論、方法和技術(shù)的必由途徑[17]。本文還將項目實(shí)踐與文獻(xiàn)計量分析相結(jié)合，總結(jié)了近30余個實(shí)踐項目、超過1萬hm2的三維實(shí)景模型重建的實(shí)踐經(jīng)驗以及在多種類型規(guī)劃設(shè)計項目中的應(yīng)用場景的探索經(jīng)驗，進(jìn)一步歸納且介紹了無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集處理以及數(shù)據(jù)輸出與應(yīng)用這兩個階段的操作流程、軟件使用與數(shù)據(jù)處理方法。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集及處理

在數(shù)據(jù)采集的過程中，無人機(jī)的飛行路徑、飛行高度與成圖比例往往決定了測量成果的精度。飛行路徑規(guī)劃一般使用Pix4D，DJI GS pro，Rockycapture、Waypoint Master等航線規(guī)劃軟件，可選的飛行規(guī)則一般包括“U”字形、五向飛行、仿地飛行及環(huán)繞飛行等。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗，國外的Pix4D與國內(nèi)的DJI GS pro這兩個軟件較為便捷，在航線規(guī)劃可靠性及自動化航測方面具備優(yōu)勢。同時，不同測繪圖紙比例需要與之匹配相應(yīng)的飛行高度（表1），此外，還可以使用載波相位差分技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）進(jìn)一步提高測圖精度，其理論精度可達(dá)到±5 cm。

表1 航測精度與飛行高度對照表Tab.1 Mapping table between aerial survey accuracy and flight altitude

在數(shù)據(jù)處理階段，常用的國外的攝影測量三維重建軟件有Bently ContextCapture、Metashape Photoscan、Pix4Dmapper、StreetFactory、Skyline Globe PhotoMesh、Reality capture[18]，常用的國產(chǎn)軟件有DJI-Terra以及DP-Model-er等。相對來說，國產(chǎn)軟件的操作界面相對更便利，但在三維建模核心算法方面，國外的Bently ContextCapture與Metashape Photoscan這兩個軟件相對更為成熟，此外，Reality capture軟件的模型渲染質(zhì)量最高。以Bently ContextCapture為例，在深圳某城市更新項目中，三維重建的工作流程主要包括圖像拍攝及清理（圖10-a）、密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理（圖10-b）以及三維實(shí)景模型重建（圖10-c）三個步驟，最終實(shí)現(xiàn)了該項目高精度數(shù)字三維模型的建立，且該模型數(shù)據(jù)支持瀏覽、矢量數(shù)據(jù)提取、設(shè)計效果呈現(xiàn)等。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)、AI技術(shù)與云計算的發(fā)展，以往存在的掃描測量精度不高、模型破洞、清晰度較低、生成時間長等問題得到了明顯的改善，2022年6月大疆智圖推出的行業(yè)應(yīng)用級無人機(jī)測量系統(tǒng)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)“智能實(shí)時”的空間地理信息采集生成流程。

圖10 三維重建工作流程Fig.10 3D reconstruction workflow

2.2.2 數(shù)據(jù)輸出及應(yīng)用

無人機(jī)攝影測量一般可輸出“4D”數(shù)字化產(chǎn)品，即數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）與數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG）。圖11展示了深圳某城市更新項目中生成的“4D”數(shù)字化產(chǎn)品。在規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域中，DSM數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景主要是在經(jīng)過Rhino、Sketchup、3DMax、DP-modeler、Modelfun、MeshMixer等三維建模軟件的處理后，實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格模型修飾及單體化的呈現(xiàn)[19]；目前，Rhino在處理大量的三維網(wǎng)格模型的切片、統(tǒng)計分類、渲染呈現(xiàn)方面較有優(yōu)勢。此外，在經(jīng)過Lumion、Twinmotion、Unreal、Unity等軟件的渲染后，DSM數(shù)據(jù)還可結(jié)合VR或MR設(shè)備實(shí)現(xiàn)沉浸式的虛擬體驗。而DEM數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景主要是運(yùn)用ArcGIS、Globalmapper、Rhino+Grasshopper等軟件進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)分析；DOM數(shù)據(jù)則既可以作為視覺數(shù)據(jù)用于提取場地特征，也可以為DLG數(shù)據(jù)的提取提供參考；DLG數(shù)據(jù)作為地籍測繪的交付成果，多用于所測繪區(qū)域的存檔、房地一體化、設(shè)計及改造工程的數(shù)據(jù)參考依據(jù)等。以上4D數(shù)據(jù)還可結(jié)合更多相關(guān)軟件進(jìn)一步生成其他格式的文件，從而滿足不同場景的使用需求。

圖11 攝影測量生成的4D數(shù)字化產(chǎn)品Fig.11 4D digital products generated by photogrammetry

3 無人機(jī)攝影測量在風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用概述

通過對CNKI及WoS核心數(shù)據(jù)庫的檢索發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)領(lǐng)域中，無人機(jī)攝影測量的研究熱點(diǎn)多集中在模型精度控制、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型單體優(yōu)化、計算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等；應(yīng)用場景方面的熱點(diǎn)包括景觀測繪、工程測量、森林調(diào)查、植被測算、生物多樣性、單體測繪、地形圖、滑坡處理、變形監(jiān)測、巖土工程、3D打印、BIM（Building Information Modeling）、CIM（City Information Modeling）等等（表2）。除此之外，在總結(jié)了實(shí)踐過程中數(shù)據(jù)采集處理以及數(shù)據(jù)輸出及應(yīng)用的相關(guān)經(jīng)驗后，本文進(jìn)一步結(jié)合風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計的工作內(nèi)容，將應(yīng)用研究熱點(diǎn)歸納為5個重要方向：（1）高精度地理空間數(shù)據(jù)測量；（2）三維空間數(shù)據(jù)分析及可視化；（3）風(fēng)景遺產(chǎn)資源保護(hù)與利用；（4）林業(yè)及生態(tài)資源量化研究；（5）系統(tǒng)信息模型的構(gòu)建。

表2 研究熱點(diǎn)方向概述Tab.2 Overview of research hotspots

3.1 高精度地理空間數(shù)據(jù)測量

風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計項目常位于城市偏遠(yuǎn)或鄉(xiāng)村地區(qū)，而由于地方測繪部門的測繪周期的影響，在項目開展前期經(jīng)常缺乏可靠、高時效的測繪圖紙，進(jìn)而影響設(shè)計工作的順利開展。無人機(jī)攝影測量形成的三維模型可繪制成數(shù)字線劃地圖（DLG）[20]，設(shè)計師直接通過三維實(shí)景模型進(jìn)行矢量化處理，如EPS信息工作站、DP-Modeler、Idata 3D[21]，可提供1∶500、1∶1 000不同精度的測圖成果。無人機(jī)攝影測量打破了傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)的供給壁壘，為規(guī)劃設(shè)計行業(yè)提供低成本、低門檻獲取地理數(shù)據(jù)的機(jī)會，例如通過數(shù)字線劃圖輔助規(guī)劃審批、竣工核實(shí)、規(guī)劃監(jiān)察[22]、界定違章建筑[23]，作為地形觀測[24]、土壤結(jié)構(gòu)分析[25]、土壤粗糙度測量[26]、山體結(jié)構(gòu)面勘測[27]的重要數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測繪圖紙，三維實(shí)景模型與二維圖紙的結(jié)合可讓項目參與者更充分地理解場地空間[28]，其真正射影像（TDOM）可規(guī)避地圖畸變且具有更高精度[29]。因此，無人機(jī)攝影測量依靠其高效率、低成本的技術(shù)解決方案，推動了地理信息數(shù)據(jù)獲取的平民化，不僅可以及時彌補(bǔ)項目測繪數(shù)據(jù)缺失及場地勘察問題，同時也開發(fā)出大量全新的應(yīng)用場景。

3.2 三維空間數(shù)據(jù)分析及可視化

仿真渲染與可視化表達(dá)是充分展示設(shè)計信息的關(guān)鍵工作。傳統(tǒng)的場地分析普遍是基于主觀感性的圖面表達(dá)，往往缺乏較理性、直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。相較之下，無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)在設(shè)計工作全流程中可提供圖像、視頻、實(shí)景模型文件等大量的客觀數(shù)據(jù)支撐，能夠極大地提高信息傳達(dá)效率。在項目前期，項目管理人員可通過云服務(wù)器將大體量的三維實(shí)景模型分發(fā)至多個PC端、客戶端，將場地現(xiàn)狀實(shí)時地同步給不同地區(qū)的項目參與者、作為溝通信息的重要載體。同時，配合使用Acute 3D Viewer、DasViewer等瀏覽工具，設(shè)計師可精確測量模型中任意要素的坐標(biāo)、尺度、挖填方數(shù)據(jù)等等。在場地分析階段，設(shè)計師可以使用Rhino+Grasshopper、Sketchup等常用的建模分析軟件，依據(jù)場地的DEM數(shù)據(jù)繪制地形地貌或?qū)龅仄拭孢M(jìn)行高程分析，還可以將三維實(shí)景模型結(jié)合GlobalMapper、ArcGIS等地理信息平臺，進(jìn)行三維模型與地理信息相結(jié)合的可視化分析。在項目表達(dá)階段，設(shè)計師可以使用Lumion、Unity、Twinmotion等軟件將設(shè)計模型與三維實(shí)景模型（OBJ、DAE格式）疊加渲染，借助PICO（AR）[30]、Hololens（MR）[31]等可視化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)及體驗。該解決方案可進(jìn)一步用于設(shè)計過程中的公共參與、設(shè)計績效量化研究等方面。

3.3 風(fēng)景遺產(chǎn)資源保護(hù)與利用

傳統(tǒng)的風(fēng)景遺產(chǎn)資源的保護(hù)工作，往往通過圖像、手稿繪圖等方式進(jìn)行信息的整理與匯編，而常用的三維激光掃描儀（如Trimble X80）往往成本高且操作復(fù)雜。相比之下，民用級無人機(jī)的使用能夠使風(fēng)景文化遺產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集、處理、儲存和信息管理變得更加靈活便捷[32]。風(fēng)景遺產(chǎn)資源涉及的數(shù)據(jù)顆粒度較高，可根據(jù)遺產(chǎn)資源形態(tài)規(guī)劃無人機(jī)航線，如山體空間采用仿地飛行、塔型建筑宜采用環(huán)繞飛行等實(shí)現(xiàn)更高精度測量[33]，也可通過手持無人機(jī)進(jìn)行貼近掃描。有研究通過無人機(jī)攝影測量生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（Point loud data ）實(shí)現(xiàn)對古城風(fēng)景遺產(chǎn)的實(shí)景掃描，并將生成的模型應(yīng)用于規(guī)劃古城旅游、古城虛擬導(dǎo)航、研學(xué)教育等場景[34]。利用無人機(jī)航攝獲取古城墻遺址實(shí)景模型[35]、數(shù)字高程圖、數(shù)字地表模型[36]可以作為遺址保護(hù)存檔數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以作為遺址墻體裂縫分析、結(jié)構(gòu)分析的數(shù)據(jù)[37]，并對遺產(chǎn)要素的類型實(shí)現(xiàn)量化分析[38]。綜上所述，無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)所具備的低成本、高效率靈活特點(diǎn)，為尚未得到相關(guān)部門認(rèn)證且具備保護(hù)價值的風(fēng)景遺產(chǎn)資源的保護(hù)與維護(hù)提供機(jī)遇。

3.4 林業(yè)及生態(tài)資源量化研究

為了獲取較高精度的生態(tài)資源數(shù)據(jù)，從事林業(yè)調(diào)查、森林研究的工作人員通常需要大量的時間與精力進(jìn)行現(xiàn)場踏勘。無人機(jī)攝影測量在區(qū)域性的林業(yè)及生態(tài)研究方面提供了有效的解決方案。有研究利用CloudCompare軟件，對場地的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，例如識別植被[39]、水域監(jiān)測[40]等，Urech等[41]將點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于樹葉密度與熱能吸收的迭代優(yōu)化機(jī)制研究。王彬等[42]將林地的DSM和DTM數(shù)據(jù)疊加相減得到樹木高度變化模型（Canopy Height Model，CHM），Martins等[43]使用深度學(xué)習(xí)、分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行植物類型識別。通過搭載多光譜鏡頭，應(yīng)用于農(nóng)作物植株高度測定和生物量估測[44]、三維綠量計算[45]等。除此之外，無人機(jī)攝影測量技術(shù)在高空植物識別、植物實(shí)景建模方面仍然具備進(jìn)步空間，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、MIT實(shí)驗室借助語義分割將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與分類，可以精準(zhǔn)地獲取場地的植物群落的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[46-47]。林業(yè)及生態(tài)資源識別涉及的樣本數(shù)量大、數(shù)據(jù)顆粒度高，而隨著計算機(jī)視覺技術(shù)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，這方面的分析也會在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、分析智能化方面將有較大的提升。

3.5 系統(tǒng)信息模型基座的構(gòu)建

系統(tǒng)信息模型常用來幫助人們更好地理解系統(tǒng)內(nèi)部事物之間的關(guān)聯(lián)。2002年BIM[48]概念及技術(shù)在建筑領(lǐng)域得到快速推廣，2007年城市建設(shè)領(lǐng)域提出了城市信息模型CIM[49]，2008年Irving教授提出風(fēng)景園林信息模型LIM（Landscape Information Modeling）[50]，系統(tǒng)信息模型理念進(jìn)入了風(fēng)景園林研究領(lǐng)域。風(fēng)景園林信息模型涉及了不同類型、格式、維度的數(shù)據(jù)均需要進(jìn)行數(shù)字化，其物理空間是由建筑、構(gòu)筑物、植物、地形及水體等要素組成，通常使用矢量、柵格、網(wǎng)格、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)描述[51]，而無人機(jī)攝影測量可實(shí)現(xiàn)多種顆粒度的數(shù)字孿生（digital twin）模型構(gòu)建，包括宏觀維度的地理信息模型，微觀視角的植物信息模型、建筑信息模型、構(gòu)筑物信息模型等。有研究通過無人機(jī)攝影測量快速創(chuàng)建城市區(qū)域信息模型CIM[52]，構(gòu)建數(shù)字孿生可視化平臺，作為城市管理系統(tǒng)[53]、建筑工程管理系統(tǒng)[54]、橋梁信息系統(tǒng)[55]、工程信息系統(tǒng)構(gòu)建[56]等。目前，無論是城市區(qū)域還是建筑景觀等領(lǐng)域，無人機(jī)攝影測量均可實(shí)現(xiàn)不同尺度的三維實(shí)景建模工作，支持系統(tǒng)信息模型的物理實(shí)體的數(shù)字孿生。

4 討論及展望

無人機(jī)攝影測量的解決方案具有機(jī)動靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特征，為風(fēng)景園林空間場景數(shù)字化提供更多可能性。同時也存在一些亟需解決的技術(shù)難題。其一是數(shù)據(jù)采集問題。無人機(jī)飛行需要專業(yè)執(zhí)照，操作人員需要熟練掌握無人機(jī)性能，在環(huán)境復(fù)雜、信號不穩(wěn)定的城市空間中，需要保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集與飛行安全。其二是模型處理問題。三維實(shí)景模型網(wǎng)格面多、文件體量大并難以直接開展基于網(wǎng)格面的設(shè)計工作，前期需要大量人工進(jìn)行矢量化、輕量化與結(jié)構(gòu)化處理，同時也涉及編程與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等技術(shù)問題。最后是地理信息安全問題。實(shí)景模型完全復(fù)刻了地表信息，而項目開展常涉及到歷史文物、建筑與城市的重要空間，在交付與傳輸?shù)倪^程中需要相應(yīng)的保護(hù)措施防止地理數(shù)據(jù)被非法使用。但是，隨著新型測繪技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)攝影測量將在簡化測繪流程、智能化測繪與自動化數(shù)據(jù)處理等層面實(shí)現(xiàn)不斷革新，風(fēng)景園林空間海量、高顆粒度的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)收集與監(jiān)測變得更加容易。在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，近些年無人機(jī)攝影測量無論是在學(xué)術(shù)研究還是設(shè)計實(shí)踐中，均有大量的研究與應(yīng)用，為探索該解決方案的全新應(yīng)用場景及發(fā)展趨勢，遂提出無人機(jī)攝影測量在未來應(yīng)用的三個重要方向。

（1）以量化研究為基礎(chǔ)的應(yīng)用拓展。無人機(jī)攝影測量支持LIM系統(tǒng)構(gòu)建的空間量化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在高質(zhì)量發(fā)展、碳中和、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的背景下，量化研究進(jìn)一步成為學(xué)科研究的新趨勢。通過無人機(jī)攝影測量對植物、生態(tài)空間的量化數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)例如碳核算、SITE評級等工作，對建成環(huán)境的量化研究及評估工作帶來更多可能。隨著AIGC及計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，依托無人機(jī)低空遙感輸出的圖像數(shù)據(jù)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行語義分割、目標(biāo)識別，可推演未來空間演化規(guī)律。

（2）集成化、便捷高效的設(shè)計工作流。構(gòu)建不同部門之間的協(xié)同工作流，是規(guī)劃與設(shè)計行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵步驟。完整的數(shù)字化工作流包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集與分析，設(shè)計與建模、渲染表現(xiàn)與模擬、建造與施工、景觀績效評價以及運(yùn)維管理全生命周期。有研究人員將攝影測量技術(shù)與參數(shù)化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，形成了詳細(xì)的數(shù)字化技術(shù)工作流[57]。目前市場已有相關(guān)軟件產(chǎn)品的研發(fā)，如AsuniCAD公司設(shè)計插件Lands Design，支持地圖、地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理，但缺乏對實(shí)景模型的導(dǎo)入及處理能力；Vectorworks landmark景觀版，支持單體項目從概念設(shè)計到施工圖紙的流程；而Bentley公司開發(fā)的Infrastructure Digital Twins系統(tǒng)，多用于市政基礎(chǔ)設(shè)施工程的信息集成管理。未來，以攝影測量建立的三維實(shí)景模型作為協(xié)同工作平臺，在平臺上開發(fā)在線設(shè)計、數(shù)據(jù)處理等工具，可實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)景的設(shè)計工作流，包括前期項目信息瀏覽、多方溝通交流、地形處理、設(shè)計建模、植物種植、成果渲染展現(xiàn)等功能，工作流的集成化可進(jìn)一步提升設(shè)計工作的效率與科學(xué)性。

（3）虛實(shí)融合的風(fēng)景園林空間體驗。隨著虛擬體驗場景的應(yīng)用需求，虛擬空間設(shè)計也成了風(fēng)景園林行業(yè)重要的拓展領(lǐng)域。通過無人機(jī)攝影測量構(gòu)建風(fēng)景園林場地模型，并進(jìn)行輕量化、語義化處理，將建成后的三維場景與虛擬場景進(jìn)行優(yōu)化處理與再創(chuàng)作，將物理世界轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭妗钡奶摂M世界系統(tǒng)，結(jié)合MR、VR、云渲染等技術(shù)的三維實(shí)景呈現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)景空間相結(jié)合的景觀體驗。除此之外，通過游戲平臺的二次開發(fā)，如Decentraland、Sandbox等虛擬游戲平臺，創(chuàng)建個人身份、形象，在線上空間進(jìn)行社交與娛樂體驗。另外可構(gòu)建創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)，設(shè)計師可以在虛擬空間建造城市、建筑、景觀空間等各種數(shù)字資產(chǎn)，將創(chuàng)意設(shè)計成果轉(zhuǎn)化為NFT數(shù)字資產(chǎn)庫，在虛擬世界、虛擬游戲中拓展風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計工作范疇。

注：文中圖表均由作者繪制。