無人機低空攝影及在建筑場地調研中的應用淺析

張成龍 李哲羽

（吉林建筑大學， 吉林 長春 130000）

0 引言

隨著建筑設計表現越來越便捷快速，設計工作的難度逐漸減小，建筑設計表現行業形成了突飛猛進式的發展。而作為建筑設計前期的建筑場地調研以及數據資料采集獲取工作卻與之進步相差甚遠，并沒有得到跨越式的突破。就目前我國現狀而言，相關工作仍依托人工測繪及衛星圖像數據獲取等方式，與此不同的只是測繪、攝影設備的更新換代。

相對于傳統利用大飛機和衛星獲得的影像數據，無人機低空攝影是依托微型飛行器為平臺，利用高清攝影設備進行實時拍攝，因此具備高效性、實時性、周期短、成本低、高質量及高分辨率等特性。在我國較多的在建筑遺產研究及保護、 國內局部物理環境的信息采樣等方向的研究中應用該項技術，但在規劃前期查勘、建筑場地調研等方面應用仍稍顯欠缺。

通過無人機低空攝影所獲取的數據信息正符合建筑場地調研中對建筑主體和建筑所在環境的現實狀態信息的采集等相關需求。本文對近年無人機低空攝影技術在我國各個領域中的應用研究進行歸納總結，其中著重闡述了其在建筑領域的應用及實踐研究，分析其在建筑場地調研中的需求現狀，并在此基礎上總結出了無人機低空攝影技術在建筑調研中應用的技術路線與具體方法，最終在實際項目中進行現場調研、信息獲取以及全程跟蹤記錄等工作實踐。

1 國內無人機攝影測量研究現狀

1.1 國內相關研究綜述

筆者在中國知網（CNKI）上，以“無人機低空攝影”為主題檢索詞進行搜索，其相關論文最早發表于2004 年，即有關“無人機低空攝影”的相關研究在我國已發展17 年，共1000 篇文獻，其中期刊論文773 篇、碩士論文180 篇、博士論文18 篇。如表1 所示，自2014 年起發展速度逐年遞增，2019-2020 年度進展最為迅猛。

表1 發表年度趨勢圖（作者根據知網數據自繪）

在對上述文獻進行研究層次分析，其中工程技術（自科）方向的相關研究占71.4% 的比例，而基礎與應用基礎研究僅10.5% 的比例。在學科分布分析中也可得出，測繪學和礦業對此相關研究占比最多，高達62.23%，在建筑領域中的應用研究則相對較少。 “無人機低空攝影”的研究對集中在單一學科的理論應用研究中。

表2 研究層次分布圖（作者根據知網數據自繪）

由此可見，國內無人機低空攝影的研究成果較為豐富，但對其應用實踐的研究則相對欠缺。這表明無人機低空攝影的應用實踐仍處于起步階段，但只有注重無人機攝影測量的應用實踐，才能在應用中查缺補漏，發現不足之處加以改進，從而得到更大的發展及應用空間。

表3 學科分布圖（作者根據知網數據自繪）

1.2 無人機攝影測量的當前應用研究領域

無人機的研發最初于1917 年，其主要應用目的為戰斗支援。隨著戰爭時代的結束，科技的進步發展，無人機技術的應用范圍也變得廣泛。近些年，逐漸滲透到生活及科學實驗的各個領域，廣泛應用于地圖測量、災害監測、精準農業、礦產資源測量、城市重建、歷史建筑檢測及修復等方面。如圖1、圖2 所示。

圖1 無人機低空攝影技術應用于精準農業

圖2 無人機低空攝影技術應用于歷史建筑檢測及修復

隨著無人機使用領域逐步發展普及，依托無人機平臺的低空攝影技術及方法也日趨成熟。面對不同的使用需求及多種種類信息的獲取，無人機的機型種類及可搭載的儀器功能也日趨強大，可搭載相機、紅外成像儀、機載激光掃描儀等儀器。隨著應用實踐的增多，相關理論研究也逐漸豐富，使得低空攝影技術越來越系統，越成熟，大大擴展了無人機平臺的應用范圍。

圖3 無人機攝影測量系統

圖4 “手提箱”式地面控制站

2 無人機低空攝影在建筑場地調研中的應用前景

2.1 無人機低空攝影平臺系統構建

無人機低空攝影平臺以傳統測繪手法為基礎，進而構建在空中的、可移動的、適合外部作業的信息采集平臺，并且最終將獲得較為全面的、系統的、具有針對性的信息。因此對其平臺的構建主要由兩部分構成：內業系統通過計算機等技術手段進行信息的后期處理。而面對不同的飛行任務，所依托的飛行平臺也各不相同。也因此，外業系統相對而言更為繁瑣復雜。具體系統建設如表4 所示：

表4 無人機低空攝影平臺內、外業系統建設內容

2.2 基于無人機平臺的低空信息采集技術的主要優點

由于低空攝影技術主要依托微型飛行器作為飛行平臺，與傳統的空中攝影技術相比，相關器械便于攜帶及組裝，無需過多人員一同操作，具備高效性，除此之外還具備有表5 所示5 項優勢。

表5 基于無人機平臺的低空信息采集技術的優點

2.3 在建筑場地調研中的需求現狀

建筑場地調研作為整個建筑設計過程中的重要組成部分，其調研活動范圍廣泛，從城市到鄉村，從人工環境到自然環境皆有涉及，因此其工作條件相對也更為艱苦，作業范圍大、內容多。更由于我們部分地理信息系統仍不夠完善準確，支持稍顯匱乏，變相的加大了人工作業量，形成了高人力低工作量的低效率現象。而載人飛行器、衛星遙感等方式成本較高、精度較低，也不能夠準確完成任務需求。而建設前期，建設委托方則會希望設計師盡可能的對于建設項目基地環境的潛在資源進行深度挖掘，包括基地內部及周邊的環境條件、道路及廣場、周圍交通、既有建筑等方面。這對于信息采集技術則有了更高的要求，要快速、精確、低成本、全面，為決策提供有力的、科學的依據。

面對這種狀況，無人機低空攝影登上了歷史的舞臺，相較于之前的兩種方式，無人機低空攝影所采集信息多處于100—1000m 之間的低、中度高度范圍，其低成本、周期短、時效性的特點便顯現出來。（如圖5）

圖5 高空航拍吉林省科技館

3 無人機低空攝影在建筑場地調研中的實際應用

鑒于當前的現狀背景，下文對于無人機低空攝影在建筑場地調研中的實際應用研究主要圍繞無人機低空攝影平臺整個過程中對于建筑場地調研的圖像類信息采集，具體的方法是依靠無人機低空攝影平臺，通過靜態圖像、全景圖像、目標環繞圖像三種類型的圖像類信息采集，對長春市萬科翡翠學院售樓處的場地進行調研，輔助設計并跟蹤記錄施工過程及結果。

3.1 項目相關概況整理階段

（1）區位分析

本文的調研區域位于吉林省長春市高新技術開發區萬科翡翠學院項目內。該項目位于超凡大街與香灣街交匯處，屬長春城南八一水庫西岸一片開闊的新興城市區域。項目總占地面積15 萬m2，建筑面積22.56 萬m2，項目的整體容積率為1.5。調研地塊位于該項目最北側，在售樓處及前廣場區域，占地面積約7700 m2。

（2）既有建筑概況

原有建筑為新古典風格多層坡頂洋房產品。售樓處臨時借用其中最北側一棟的首層部分。作為售樓處的現狀建筑并沒有結合功能的變化在外觀上相應調整，而是保留了現狀建筑封閉、沉重之特點，與周邊的自然環境基本沒有形成積極的互動。建筑東側一路之隔就是八一水庫，這是一片非常開闊的自然水岸圍繞著的人工湖。從位置和尺度關系上，其實整個住宅用地是被水庫自然環境所環繞的。但是站在售樓處前，人們很難感受到自己和自然之間的這種密切聯系。

（3）設計要求

要求在售樓處前廣場空間快速搭建一個臨時性裝置，用來重新定義場地和建筑、環境之間的關系，以及重新梳理售樓參觀動線。臨時性意味著這個裝置會短暫地存在一段時間，暫時對現狀產生某種影響。而當使命完成后又方便拆除，甚至不留痕跡，這體現了一種“輕盈”的特性，與現狀建筑所體現出的沉重感形成一種有趣的對比。面對這樣的要求，須從設計初期的場地調研過程開始，到中期裝置搭建過程中最后到裝置驗收以及建筑成果拍攝，整個過程需實時跟蹤設計進程及施工質量。

3.2 無人機低空攝影平臺建設階段

（1）無人機飛行平臺：依據相關設計及調研要求，本次項目采用大疆Phantom 4 Pro 無人機飛行平臺，如圖6 所示，為旋翼無人機飛行器，因此可在100m 以下超低空飛行航測，室內室外均不受限制。并且因其內部按有雙模定位及感應系統，可自動探測并躲避遮擋，保證飛行期間無人機的安全。其主要參數如表6 所示：

表6 平臺主要技術參數

（2）飛行控制系統：飛行控制系統主要配置有DJI，其內部設置GPS/GLONASS 雙模，同時配置雙冗余IMU 和指南針，保證定位的準確性，減少操作人員數量，進一步提高工作效率。

（3） 地面控制系統：地面控制系統可直接通過手機或ipad 進行操作控制，在其內部安裝DJI GO 4 App，如圖7 所示，配合機身內置的Lightbridge 天空端，穩定傳輸圖片及影響等高分辨率數據，保證信息采集的實時性。在城市環境及郊外開闊環境內均可高效完成飛行器的各種操作。

圖6 大疆Phantom 4 Pro 無人機飛行平臺

圖7 地面控制系統DJI GO 4 App 操作界面

3.3 多種圖像類信息采集階段

對于建筑物而言，場地是指基地建筑物之外的空間區域，包括停車場、廣場、室外活動場、綠地等。而建筑場地調研要獲取所有要素的相關信息，因此根據各自的使用目的利用不同的攝影技巧獲取相應的圖像信息。

為滿足設計要求，需對項目場地內的整體概況、場地內交通組織、既有建筑物所在位置建筑物的結構及形態、道路、廣場及停車場概況、周圍建筑物的形態及對于場地的影響、室外構筑設施位置和造型等情況進行調研及整理。

（1）通過對不同因素控制以獲取靜態圖像的拍攝手法，獲取同一建筑不同維度的信息，其具體影響因素及操作手法如下所示：

A.高度：通過拍攝100m 以下、100—200m、300m、500m、500m 以上這5 種高度的靜態圖像，控制既有建筑與新建裝置的細節呈現及既有建筑和新建裝置與及周邊場地組群關系的呈現。如圖8、9 所示：

圖8 高度180m 的建筑場地俯視圖

圖9 高度350m 的建筑場地俯視圖

B.距離：通過對100m、100—300m、300—500m 這3 種距離的圖像獲取，一方面新建裝置控制細節，另一方面強調表現主體與周邊景物、主次入口、道路、廣場之間的關系。如圖10、11 所示：

圖10 距離200m 高度300m 的建筑場地俯視圖

圖11 距離500m 高度300m 的建筑場地俯視圖

C.角度：通過獲取45°軸測圖、30—45°俯拍圖加大景深效果，以表現的道路、水系的走向及周邊場地的組群位置及特點。如圖12、13 所示：

圖12 傾斜角度30°的建筑場地俯視圖

圖13 傾斜角度60°的建筑場地俯視圖

D.光線：在航拍中，不同光線對圖像的影響十分重要，可輔助強調主體目標并加強藝術效果。如圖14 所示：

圖14 同一位置不同光線下建筑軸測圖

E. 色感：針對作為效果圖使用的圖像拍攝，采用近距離拍攝陽光照射的明亮立面最終達到“點彩式”的藝術效果呈現。如圖15 所示：

圖15 “點彩式”建筑俯視圖、軸測圖

（2）通過某一點拍攝的多幅實景圖像進而拼接成全景圖像。通過對全景圖像的采集，將三維多元的信息呈現在二維圖像上，可使使用者能夠得到更大范圍的觀察角度，使建筑主體及周圍場地得到更清晰的表達。如圖16 所示：

圖16 建筑及周邊場地全景圖

4 結語

4.1 不足

在對無人機飛行平臺的使用中，仍存在幾點不足：a.因無人機為小型飛行器，自重較輕，因此易受其外界氣流影響；b.因無人機攝影系統多為非量測性，因此鏡頭畸變較大；c.在飛行過程中存在飛行安全問題，若無人機的安全性直接影響航測質量。

4.2 展望

無人機等小型飛行器的出現和成熟，高效推動了低空攝影技術的發展，相較于建筑場地調研中傳統數據獲取手法而言具備高效性、實時性、可獲取高清晰度圖像、具有高程信息數據等優點，具有明顯的技術優勢。同時在建筑場地分析及建筑效果的表現上相較于傳統方式更具科學性及真實性，因此低空攝影技術在建筑場地調研中的廣泛應用已成為必然。