無人機航測在風景園林中的應用研究

韓煒杰 王一嵐 郭巍

隨著信息技術的高速發展，未來世界越來越趨向數字化和信息化，數字技術的運用開始逐漸深入到風景園林學科行業的各個環節。雖然相較建筑、規劃等領域，風景園林數字化技術的應用相對滯后，但作為“智慧城市”的一部分，風景園林終將融入整個智慧系統，成為“智慧園林”[1]。場地高程數據、空間數據、遙感影像等數據的獲取與分析作為風景園林規劃設計與研究工作的第一個環節，是后面所有工作的基礎，準確獲取場地數據對風景園林師來說至關重要。

1 無人機航測發展歷程

航測是航空遙感技術中的一種，在測繪行業中是獲取高程、空間坐標等地理信息數據的重要方法[2]。其原理是通過對航拍像片的分析和運算恢復地面的光學模型，進而測定地面點的高程與坐標，主要包括航空攝影、外業控制、空三加密及內業測圖等步驟[3]。早期的航測主要依靠飛機航拍，從飛行計劃下達到成圖有時需要2～3年，啟動成本高、周期長、工序復雜。1993年，德國人Schwarz[4]首次提出IMU/DGPS輔助航空攝影測量技術，大大降低了航測的難度；同時，遙感技術的快速發展也打破了傳統航測局限于測繪地形圖的局面，開始面向多傳感器發展。但傳統的飛機航測依然存在成本高、周期長、云層影響大等問題。與載人飛機相比，無人機雖然飛行速度較慢、航程短，但飛行成本非常低，成果更新快，比較適合小范圍航測，也適應現代社會的高速發展。

對無人機在各自領域的應用，前人已經做過不同的綜述，如董嬌嬌等[5]對無人機在城市規劃中應用的綜述；張志明等[6]對無人機在景觀生態學上應用的綜述；劉昌軍等[7]對無人機在水利行業上的應用綜述；湯明文等[8]對無人機在電力行業上的應用綜述；Zecha等[9]對無人機在農業上的應用綜述等。無人機在風景園林行業上的應用，目前在國內外都還沒有人進行過系統的研究，雖然越來越多的景觀公司和設計師都開始使用無人機，但大多數的應用還停留在基礎的航拍層面，對于應用潛力更大的航測層面，風景園林行業的應用相對較少，更鮮為人知。結合自身的實踐經驗，對無人機航測在風景園林上的應用進行介紹和總結。

2 無人機航測與遙感系統

無人機遙感系統（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing System，簡稱UAVRSS）是一種以無人機為飛行平臺，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷，飛行高度一般在幾千米以內，能夠快速獲取和處理遙感影像數據的航空遙感與攝影測量系統[10]505。目前，成熟完備的民用無人機遙感系統主要由飛行平臺系統、對地觀測傳感器系統、飛行控制系統和影像處理系統4部分組成。

2.1 常見飛行平臺分類

當前市場上的民用無人飛行器種類繁多且沒有統一的分類標準，從動力、用途、結構、航程和飛行器重量等方面均可劃分為多種類型。例如，按飛行原理和結構可分為固定翼、旋翼、無人直升機；按飛行器重量可以分為微型、小型、中型和大型[10]506；在風景園林行業中最常用的是小型多旋翼無人機，這種無人機最大的特點是能夠實現目標懸停，適用于中小尺度場地數據的采集；其次是小型固定翼無人機，其航程一般在幾千米以內，飛行速度比旋翼無人機更快，飛行時間也更長，適用于尺度稍大的場地信息獲取。

2.2 常見傳感器類型

無人機作為一個新的飛行平臺，能通過與不同類型的傳感器組合，滿足各個行業不同任務的需要，達到非常便捷實用的觀測效果。由于市場上常見的民用無人機航測一般都使用小型無人機作為飛行平臺，荷載較小，因此搭載的傳感器多為小型傳感器，如普通的非量測數碼相機、小型機載激光雷達、小型多光譜影像儀、高光譜影像儀和熱成像儀等。

2.3 常見飛行控制類型

無人機飛行控制系統由機載和地面2部分構成，按控制方式可分為無線電遙控、預編程自主控制和編程與遙控復合控制3種[10]507。航測需要飛機在固定的海拔高度水平飛行，針對被測區域來回“U”型航線飛行，前后照片必須保證一定的重疊率，相鄰航線照片也需保證一定的重疊率。因此，現在執行航測任務的無人機一般都屬于復合控制型，通過遙控控制起飛與降落以適應復雜的工作環境，通過編程設置航線以滿足精確的測量要求。目前，有一些輔助航線規劃軟件如Pix4D capture、Altizure等，可以下載在手機、平板電腦等終端，連接無人機對拍攝正射影像或傾斜攝影進行專門的航線規劃，使沒有編程基礎的人也能實現預編程自主控制，完成原本復雜的航測任務。

2.4 常見影像處理軟件

目前市場上常見的商用無人機影像快速處理軟件包括：Bentley Context Capture（Smart 3D）、Pix4Dmapper、ERDAS-LPS、Agisoft Photoscan、Altizure、ENVI等，還有許多研究機構和企業擁有自主研發的影像處理軟件供內部使用。這些軟件都能半自動或全自動完成影像處理，產出DEM、DSM、DOM及三維實景模型等成果。相較而言Smart 3D的三維效果更加逼真；Pix4Dmapper產出DOM正射影像更為快速、準確；ERDAS、ENVI多用于處理多種傳感器的遙感影像。

3 無人機航測在風景園林中的應用

無人機在風景園林領域中的應用大體上可以分為航拍和航測2個方面。航拍是無人機最簡單也最常見的應用方式，主要是使用消費級的小型多旋翼無人機拍攝普通的照片和視頻，不用進行遙感影像處理。而航測相對航拍而言更為復雜，是更具難度的應用方式，其操作相對復雜，入門難度較大，涉及測量學、遙感、地理信息系統等多學科的知識和技術。常見的應用主要集中在傳統航測、傾斜攝影、多種傳感器遙感等3個方面，產出的數字化成果包括：數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）、數字地表模型（Digital Surface Model，簡稱DSM）、數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，簡稱DOM）、數字線劃地圖（Digital Line Graphic，簡稱DLG）、三維實景模型和特殊影像圖等（圖1）。

3.1 傳統航測在風景園林中的應用

傳統的無人機航測以獲得正射影像為目的，采用像片傾角小于2～3°的攝影方式，稱為豎直航空攝影。傳統無人機正射影像圖是利用DEM對航片或遙感影像進行微分糾正、鑲嵌、裁剪生成的影像數據（真正射影像包含地表地物，使用DSM進行微分糾正），影像上有坐標、方位及尺寸等信息，可直接測量距離及面積，是一種同時具有地圖的幾何精度和影像特征的圖像。因此，涉及定量的研究或者數據采集都必須要基于正射影像。由于專業的量測相機質量較大且價格昂貴，一般用于載人飛機航測，大多數無人機航測使用的是非量測數碼相機，鏡頭存在較大的畸變差[11]，其拍攝影像需要在進行空三運算前進行畸變差校正。

普通的航測只需要普通的數碼相機就足夠了，測量高程等空間數據是通過空中三角測量的方法，不需要使用激光雷達等更高級的傳感器亦可完成。目前，市場上有一些專門針對無人機拍攝的遙感影像進行處理的軟件，如Smart 3D、Pix4Dmapper、Photoscan等。這些軟件的影像處理流程大同小異，處理流程大體上可分為：數據準備、畸變差改正、空三運算、制作DEM或DSM、正射糾正、鑲嵌、裁剪等，最后生成DOM（圖2）。經過影像處理軟件對無人機拍攝的影像進行處理，可以生成DEM、DSM、DOM等數字化成果。由DEM數據生成的地形等高線[12]是風景園林規劃設計的重要依據，被廣泛應用于規劃設計的前期分析中，徑流分析、視線分析、地形分析等都必須依賴DEM數據，其應用方式和重要程度不再贅述。DSM是在DEM的基礎上，包含地表建筑、樹木等高度的高程模型，主要應用于一些需要測定建筑、樹木等地表覆蓋物高度的領域。

1 數字化成果Digital products1-1 數字高程模型DEM1-2 數字地表模型DSM1-3 數字正射影像圖DOM1-4 數字線劃地圖DLG

2 無人機影像處理流程UAV image processing

無人機DOM最大的特點就是不再受傳統衛星圖或航片空間分辨率的限制，以厘米級的超高分辨率和準確的尺寸信息滿足風景園林師對場地分析和研究需求。通過無人機航測的DOM可以準確地對現狀用地進行分析[13]，甚至可以在一定程度上實現對植物物種的識別[14-18]。北京林業大學測繪與3S技術中心進行了許多使用無人機航測進行地表地物識別、林業調查等方面的應用研究，依靠無人機航測獲取數據可以大大減少傳統調研方法的成本和工作量。如樊江川[19]在北京西北部蘇家坨鎮鷲峰林場使用無人機獲取的影像數據結合影像處理軟件ENVI5.0，通過直接判讀和計算的方法獲取了森林的各項特征參數，包括冠幅、樹高、郁閉度等。王彬等[20]利用無人機航測獲取雪松林的DSM，再通過點云分類提取非植物類點生成數字地面模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM），通過將DSM和DTM疊加相減得到研究區雪松高度模型，再經過與激光測距儀測定的雪松高度比較進行精度檢驗，發現依靠無人機航測測得的樹高精度在0.9以上。楊龍等[17]利用搭載數碼相機的無人機對亞熱帶地區森林進行林冠物種識別，發現在超低空（50 m）飛行時拍攝的影像能識別出近20種冠層物種，甚至能識別部分林下物種；Zweig等[18]利用無人機獲取的DOM成功地對濕地中的植物進行了識別，并據此完成了植被分類制圖。陳荻等[21]以無人機獲取的高分辨率的DOM影像為基礎，提取了樹木的位置和冠幅，然后利用三維樹形樹冠體積公式計算單株樹的三維綠量，實現對三維綠量的定量分析。梁婷等[22]根據無人機獲取的DOM，結合B-IBI底棲動物完整性指數，對遼河保護區上游河流生態系統進行了評價。

除此之外，無人機傳統航測由于其便捷性和時效性，在設計施工管理上也有一定的應用，最經典也最常見的用法是疊加。通過疊加對比施工現場DEM和設計的DEM可以更精確地反映豎向設計與實際施工上的差異；疊加施工現場實時的DOM和施工總平面圖可以檢查施工上的錯誤（圖3），建筑施工方可以提早發現放線上的錯誤及時止損，景觀施工方可以依據此圖對施工進行適當調整進而使其更貼合設計，提高最后成景的質量。除以上應用外，DOM還是繪制數字線劃圖DLG的基礎，DLG常以GIS或CAD等軟件作為呈現和編輯平臺，也是城市規劃、風景園林等行業拿到的常見基礎資料（現狀CAD底圖）之一，其重要程度不再贅述。

3.2 傾斜攝影在風景園林中的應用

無人機傾斜攝影技術是當前新興發展的一項航測技術，這種技術在規劃設計領域中主要用于生成三維實景模型。中國第一次引進該技術是在2010年，現已成為當前航測的研究熱點[23]，它改變了傳統航測只能從垂直方向拍攝的局限性，其實質是在同一飛行平臺上搭載多個傳感器，同時從垂直、傾斜多個角度對地物進行拍攝，獲取多個方位上地物的影像及位置信息以便三維建模[24]（圖4）。如果說正射影像是帶有平面坐標和尺寸的平面測量圖，那三維實景模型就是帶有空間坐標和尺寸的立體測量模型。數字化的三維建模是數字城市技術研究的重點之一，已有許多人將這一技術用于風景園林建模的具體實踐中進行過研究[25-26]，目前這個技術已經商業化，現在多數無人機三維建模任務都由專門的無人機公司來完成。

3 施工現場DOM 與施工平面疊加對比圖Overlay of the construction DOM and the construction plan

4 傾斜攝影原理The principle of oblique photogrammetry

5 無人機航測三維實景模型生成過程Generation process of UAV real-time 3D model

建立精確度較高的實景三維模型需要多鏡頭的數碼相機，單鏡頭相機雖也能通過環繞拍攝完成傾斜攝影，但工作量較大、精確度較低。一般來說，鏡頭數量越多，模型精確度越高。市場上常見的是五鏡頭數碼相機，中間的鏡頭垂直向下拍攝可以獲取DOM正射影像，四周的鏡頭則分別從4個方向進行拍攝獲取多角度的地面影像，這種多鏡頭的數碼相機通過一次航飛任務便可獲取正射影像和傾斜影像等多種數據，效率較高；搭載這種質量較大的多鏡頭相機也對飛行平臺的穩定性和荷載提出了更高的要求。因此傾斜攝影一般都是使用專業級的多旋翼或固定翼無人機。拍攝傾斜攝影的航線采取的是專用航線，要建立三維實景模型，旁向重疊度需要達到 50%以上，航向重疊度需要達到70%以上[24]，航線的規劃也可以通過Pix4D capture等軟件完成。

生成三維實景模型的遙感影像數據處理也 是 使 用 Smart 3D、Pix4Dmapper、Agisoft Photoscan等軟件，其原理也是根據控制點和POS數據進行空三運算，然后生成點云數據構建模型。以Smart 3D為例，這是一款幾乎全自動的三維建模軟件，只需將無人機拍攝的多角度傾斜攝影照片、相機參數等數據導入，軟件就能自動對影像提取大量特征點，對特征點進行自動同名點匹配，通過空三運算得到粗糙的點云圖，再根據點云構建不規則三角網生成DSM，最后通過影像自動映射紋理，生成逼真的三維實景模型（圖5）。通過傾斜攝影測量做出的三維實景模型可測量模型中任意兩點的距離、任意區域的面積，是名副其實的數字沙盤，相較傳統的手工建模和激光掃描建模，數字化的傾斜攝影三維建模更為經濟、便捷，推廣應用可行性大，在城市規劃、風景園林規劃設計、旅游規劃、歷史名城保護、建筑設計和精細化設計等領域[27]28具有廣闊的應用前景。

李家忠等[27]24-28利用無人機傾斜攝影技術對位于陜西韓城的金塔公園進行了航測，使用Smart 3D軟件對影像進行處理，建立了場地的三維實景模型。隨后使用Super Map軟件中的分析工具對模型進行分析：使用量測工具對模型進行各種測量，如水平距離、空間距離、高度、空間面積和依地面積等；使用日照分析工具模擬不同時段的日照情況，對場地進行日照分析；使用視線分析工具對景觀視線進行分析，以便設置重要的眺望點和觀景點。最后在實景模型的基礎上進行設計方案的展示，真實地表現了設計方案建成后的效果。王瑋等[28]利用無人機航拍攝影測量獲取場地的DOM和三維實景模型，根據這些數字模型模擬進行水文分析，得出匯水區范圍，并以此為基礎進行防澇景觀設計。張青萍等[29]利用無人機傾斜攝影技術結合地面激光掃描儀建立蘇州遂園的三維實景模型，針對私家園林的特點，提出私家園林適用的測繪方法和結果表達方式，為私家園林的研究和遺產保護提供參考。

3.3 多種傳感器遙感在風景園林中的應用

隨著科學技術整體上的快速發展，除了常見的非量測數碼相機，針對無人機設計的小型機載激LiDAR、高光譜傳感器、多光譜傳感器和熱成像傳感器等更高級的傳感器技術也逐漸成熟，在風景園林中也有所應用，但由于使用成本太高，行業內應用非常少（表1）。

激光雷達可以獲取超高密度的點云數據，完成比可見光數碼相機攝影測量更精確的DEM[30]、DSM和三維模型，也可用于樹木測量[31]、群落結構[32]等的研究。劉清旺等[33]用機載LiDAR獲取的點云數據生成冠層高度模型（Canopy Height Model，簡稱CHM），同時提出了從CHM中提取單株樹木樹高、冠幅等信息的關鍵算法。何斌等[34]利用搭載LiDAR的無人機對3個園林苗圃進行了航測，提取苗圃中單株樹的坐標、樹高、冠幅等信息，實現了園林苗圃的數字化管理。曾齊紅[35]研究了利用LiDAR對古建等復雜建筑物進行精確三維重建的應用。

表1 常見傳感器數字成果及其風景園林應用Tab.1 Common sensor products and their landscape applications

多光譜成像儀和高光譜成像儀可以收集肉眼不可見的光譜信息，這些信息可以間接反映出園林植物的生物量[36]、含氮量[37,42]、葉綠素含量、葉面積指數[38]等生理功能性狀，可以據此對園林植物病蟲害的空間格局[39,41]、物種入侵[40]3920-3926等進行分析和研究，在園林植物養護和病蟲害防治等方面有巨大的應用潛力。國內對于無人機搭載多光譜傳感器的應用還比較初級，使用的設備一般都是只有2～3個波段的多光譜相機，如胡根生等[41]利用搭載雙光譜相機的無人機獲取可見光和近紅外圖像，采用改進的加權支持向量數據描述多分類算法，實現對病害松樹的識別，相比傳統的人工、航片或衛片識別具有可操作性強、成本低等優點。秦占飛等[42]利用無人機高光譜影像對水稻葉片進行全氮含量估測，為區域尺度的氮素含量測定提供技術依據。周在明等[40]3920-3926利用無人機航測的普通影像和多光譜影像，通過NVDI指數模型獲取了濕地入侵種互花米草（Spartina alterniflora）的覆蓋度，并據此進行了分析。2015年，中國科學院遙感應用研究所使用無人機搭載四波段多光譜相機對城市公園水體進行了葉綠素反演監測、懸浮物反演監測、透明度反演監測和富營養化監測（圖6）。更重要的是，通過相機內部濾光片可更換設計，可根據具體需要，更換不同濾光片，獲取地物相應光譜信息。理論上可獲取200多種光譜波段信息，這是任何其他衛星、多光譜儀器不可比擬的，使中國低空無人機搭載多光譜相機系統的技術更進一步。

熱成像儀可以獲得地表溫度圖譜用于生態監測等[43]。Nishar等[44]利用搭載熱成像相機和數碼相機的無人機對位于新西蘭陶波的地熱田進行了溫度監測。Zarco-Tejada等[45]從搭載熱成像儀和高光譜成像儀的無人機遙感影像中提取了葉片溫度、葉綠素熒光指數等信息，結合地面人工調查測得的水分、葉片氣孔導度等信息，判斷植物受水分脅迫的強度。Homainejad等[46]分析搭載熱成像儀、數碼相機等多種傳感器的無人機在森林火災監測中的應用方式。

3.4 比較與分析

就目前而言，傳統航測、傾斜攝影、多種傳感器遙感這3個方面在風景園林領域的應用中，傳統航測技術發展最為成熟，獲取數據種類較多且都是風景園林規劃設計與研究中常用的數據類型，操作也相對簡單，在短時間內向未來推廣應用的潛力最大；傾斜攝影技術雖然對飛行平臺和傳感器等設備的要求相對較高，但傳統航測能生成數據成果傾斜攝影都能生成，在此基礎上還能生成三維實景模型，一次飛行任務便可獲取到風景園林師所需的幾乎所有類型的航測數據，是效率最高的無人機航測技術；多種傳感器遙感由于其設備的復雜性和相對較高的成本，在風景園林中的應用最少，潛力也最大，未來在這些傳感器的應用上還有許多的可能性，如搭載熱成像傳感器的無人機可用于城市熱島效應監測，搭載多光譜傳感器的無人機可用于園林樹木的智慧化管理[47]，搭載數碼相機、高光譜成像儀等多種傳感器的無人機可用于景觀評價指標、數據采集等。

4 結語

無人機因其獨有的優勢，該產業在未來將得到快速發展。2017年12月，工信部發布《關于促進和規范民用無人機制造業發展的指導意見》“點名”支持高校設立無人機相關專業，足見國家對民用無人機發展的重視，未來無人機的應用范圍必將不斷擴大。

“智慧城市”的建設需要大量數字城市技術的支撐，作為各種數字化信息收集的工具之一，無人機航測使用成本低、成果更新快，非常適合風景園林等相關專業的需求，使風景園林師在獲取數字化基礎資料上有了更大的自主權。隨著近幾年無人機技術的飛速發展，較前兩年有了許多變化，如新的地面站軟件、新的飛控裝置、新的影像處理軟件等，無人機航測的操作流程不斷簡化，技術門檻不斷降低。現在使用價格更低廉的消費級無人機（如大疆精靈系列）都可以完成精度要求不是特別高的航測任務，通過影像處理軟件，也能產出DEM、DSM、DOM、三維實景模型等數據成果，為風景園林師提供了極大的便利。

無人機在風景園林中的應用起步較晚，總體而言還處于比較初級的應用階段，但隨著數字化進程和“智慧城市”建設的大潮，無人機在風景園林行業的應用將具有更多的可能性。

6 無人機搭載多光譜儀對公園水體污染的監測Surveillance of park water pollution by multi-spectrometer equipped with UAV

注釋：

① 圖1由濟南賽爾無人機科技有限公司（Share UAV Technology Co.,Ltd.）提供；圖2、4、5由作者自繪；圖3引自Skyhawkvision官網；圖6由中國科學院遙感應用研究所提供。

② 表1由作者自制。