農村空間調查中無人機傾斜航拍技術可視化研究

劉天奕

(浙江理工大學，浙江 杭州 310020)

1 農村空間設計調研的局限性

在農村空間設計調研中，由于場景尺度的寬泛性及地質條件的復雜性，單純依靠傳統的調研手段往往會使設計調研陷入瓶頸，無法快速呈現以農村社區為代表的復雜空間。盡管現在可以用谷歌地球、街景去了解場地，但是圖像的時效性和質量不盡如人意，所獲取的圖像大多數都是“扁平化”的，毫無實景的感覺；另外，在一些人口密度較低的區域，無論是衛星地圖還是街景都缺少所需要的數據。

數字技術設備能為設計調研提供數字化、可視化的技術支撐，其中以傾斜航拍技術為代表，本文通過對傾斜航拍技術的研究，將其研究對象數字化、可視化，滿足了設計調研中場景可視化呈現的需求，釋放生產力的同時提高了工作效率。

2 農村空間設計調研的現狀

2.1 問題分析

在農村空間中，由于尺度較寬泛，可運用無人機傾斜航拍技術對目標對象進行現狀采集，通過提取的影像特征和幾何特征進行實景重現，將農村范圍內的地形結構進行可視化呈現，即使從未造訪過村莊，也可以在短時間內掌握該村莊的地形細節和交通現狀，厘米級的精度能夠清晰地分辨出道路、植物、水體、設施、地形等外輪廓。

無人機傾斜航拍技術可以在短時間內獲取數據并進行處理重構，這一點是傳統的調研方式所無法比擬的，有利于快速高效地制定或改善設計方案，無人機傾斜航拍技術可生成高度逼真的三維立體(3D)城市模型。在傾斜航拍中，使用配備多臺相機的無人機從不同角度獲取城市照片。隨后使用這些照片，可以重建可視化的城市三維立體模型，重建的三維立體3D城市模型可以達到厘米級的分辨率。

2.2 研究現狀

無人機(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)是一種無人駕駛飛行器的統稱，起初隨著計算機及定位系統和可視技術的發展，無人機最早應用于軍事領域，民用領域于20世紀90年代開始逐步應用并得到蓬勃發展，在無人機成為消費級大眾產品后，由于無人機高空作業機動化的優勢，在測繪及工程航測中應用廣泛，尤其適用于復雜空間，例如農村社區。

無人機傾斜航拍技術在農村空間可視化調研中，將航測測繪技術手段與計算機高效配合，可產生二維矢量化和三維可視化的效果場景，其中以無人機傾斜航拍技術所生產的三維立體實景模型為切入點，為可視化設計調研帶來了新的可能性，逐步發展為服務于可視化設計調研且獨具優勢的一種技術手段。

近年來，隨著消費級無人機的興起與發展，無人機在多學科領域中得到了充分應用，文獻[2]運用無人機傾斜攝影技術，對快速實景建模進行了探究；文獻[3]將無人機作為策劃與設計的新工具，對實際案例進行技術探析，得到了無人機傾斜攝影的操作方法和應用方向；文獻[4]基于無人機測繪技術，對實景三維模型進行分辨率可視化的實踐探究；文獻[5]重點研究無人機在景觀設計領域三維可視化的應用，同時在其它領域對無人機的應用做了較為全面的解析。文獻[6]在城市的復雜區域，對無人機攝影航線的規劃方法進行分析，并通過試驗來進行合理性的驗證，最后進行航線路徑的設計；文獻[7]基于無人機航測的方法，利用無人機傾斜航拍技術對景觀格局的尺度效應進行了量化分析。

以上均是無人機傾斜航拍技術在不同領域內的應用前景，在此背景下，無人機傾斜航拍技術，作為一種可視化設計調研的技術，一次測量即可獲取二維矢量化場地平面數據和三維可視化的實景三維模型，該技術手段可作為可視化設計調研中的策略手段進行深入研究，本文選用大疆御Maciv air作為技術設備(如圖1所示)，在了解相關設備的參數指標后(詳見表1)，選取杭州市余杭區黃湖鎮沙塘村一處農村空間作為研究對象，探究無人機傾斜航拍技術在農村空間的可視化設計調研。

表1 無人機相機參數指標大疆御Maciv air相關參數指標

圖1 大疆御Maciv air(數據來源https://www.dji.com/cn)

3 無人機傾斜航拍技術的應用

3.1 技術概述

無人機傾斜航拍技術是通過在同一平臺上搭載多臺傳感器，在垂直、傾斜和環繞等角度進行影像的采集達到獲取影像素材的目的，在前后左右4個方向45°和垂直90°角對地面進行拍攝，獲取更加全面的地物影像，并基于無人機航拍的影像，配備一系列數據處理軟件進行三維可視化的重構，如ContextCapture、PhotoMesh、PixelFactoryNeo、PhotoScan、Pix4DMapperPro等三維可視化建模軟件。在本次實踐中通過無人機航線規劃和定時拍攝手段，圍繞興趣點進行環繞飛行并采集影像，其操作流程的技術路線如圖2所示。本文以杭州市沙塘村的實踐為例，探究無人機傾斜航拍技術在農村空間可視化設計調研中的實際應用前景。

圖2 技術路線

3.2 操作流程

3.2.1設置范圍與飛行航向

此過程要提前規劃調整航線的重合度與相機和垂直水平面的傾斜角度數。航線的重合度，包括旁向重疊度和航向重疊度。在這里旁向重疊度又稱“橫向重疊”，是指2條相鄰航線，航線不是完全相同的，但由于所要采集影像的對象是一致的，故所采集到的影像有部分相同，但不會完全相同。本次的實踐表明，旁向重疊度在70%以上會使成功率大幅度提高。航向重疊度，亦稱“縱向重疊”，是在同一飛行航線中所重疊的部分影像，根據實景建模的需要，航向重疊度在75%以上為宜。在實際操作中要注重旁向重疊度和航向重疊度的配比關系，針對三維模型所要達到的精度進行參數調整，這樣才能得到更為理想的模型。

3.2.2設置飛行的安全高度

無人機的飛行高度與最后所要生成的二維矢量化及三維可視化場景也是密不可分的，在本次實踐中由于農村社區無過高的建筑物，且建筑物的高度基本均等，故可采取低空航拍航測。但飛行高度與建筑物之間要有合適的高度差，保持相對合適的飛行高度既可以有效地捕捉數據，又可以確保采集影像作業的安全性。對精度有較高要求以求達到精細化的復原程度時，可以根據具體的精度要求靈活調整飛行高度。

3.2.3設置設備的鏡頭角度

對影像缺失或素材過于狹窄的部分由計算機進行內容識別后自行填充，影像的可用率還與無人機鏡頭的傾斜角度(垂直水平面的傾斜角度數)密切相關。傾斜角與水平面的角度過大時會形成一種俯拍或仰拍的視角；傾斜角與水平面的角度過小時會使影像的采集過于局部，計算機無法識別該影像在場景中的具體位置，導致影像資源的浪費。

故傾斜角需在合適的范圍內才會形成有效的影像組合，根據沙塘村的實踐，45°是比較理想的角度，所采集的影像利用率高達95%，足以支撐二維矢量化和三維可視化的大部分場景。

3.3 三維可視化

3.3.1前期準備

經過前人的總結以及多次實踐對比，本次選用ContextCapture作為三維建模的軟件工具，文獻[9]對無人機傾斜航拍技術的3種建模軟件進行比較研究，以南京佘村為例對建模軟件進行比對，最后證實了ContextCapture的優越性能。使用ContextCapture進行三維可視化的操作(其流程如圖3所示)，首先運行建模軟件的引擎ContextCapture Center Engine，打開主界面ContextCapture Center Master，將采集到的影像導入軟件，進行獨立運算，接下來將曝光影像的地理位置與GIS系統的POS值進行比對，通過空中三角測量加密運算使之碎片化，再運行軟件將整合后的碎片置于立體空間，調整編輯興趣范圍得到更為精細的三維可視化模型。

圖3 ContextCapture三維可視化流程

3.3.2提取對比

提取對比這一過程即影像匹配的過程。影像匹配，簡要來說就是在2幅或多幅的圖像中，找出影像共有點位的運算過程，影像的重合率是能否三維可視化的關鍵要素。如在建筑物的三維可視化中，對建筑物環境特征的提取尤為重要，通過不斷地提取特征才可以達到三維重構的目的。在這個過程中影像重合率越高計算機識別的影像化碎片也就越精致，三維模型的容錯率也就越趨近于原始，雖然受到客觀條件的制約，但在理想條件下可以達到毫米級別的精度。

3.3.3三維生成

計算機性能不同三維可視化模型的建造速度也不盡相同。通過上述步驟的運行可構建三維可視化的實景模型，在這其中由于計算機性能的不同所展現出來的運行效率也是不同的，同時在無人機采樣的過程中影像碎片基于計算出的瓦片數量的不同也會隨之重構新的模型。由于采樣整體環境的統一性，使得計算機無法進行精準識別，故會重構其他場景的碎片模型，在隨后的過程中將之剔除即可。

3.3.4后期處理

對于目標場景的后期處理，由于3Ds Max文件會產生極多碎片化的網格，故不建議使用該軟件，本文借助Auto Meshmixer軟件進行細節部分的修繕，例如網格面的修飾和細節輪廓的處理，以及目標材質的把控都可在此軟件中進行，按流程進行即可獲取三維立體實景模型。

3.4 二維矢量化

對于空間場景的數據信息建構，尤其對場地信息的搜集歸納，其二維和三維的呈現均為不可或缺的一部分，同時也是設計環節的重要組成部分，前期資料的完整度決定了后期設計工作的進度，甚至還會在一定程度上影響設計成果的高度。在三維可視化工作完成后，可進一步生成矢量化的圖紙供設計參考。對三維模型進行簡要處理后，使用AlgoLab R2V Toolkitren軟件可快速生成矢量的CAD圖紙(如圖4所示)，生成不同用地屬性的區域分級，為規劃設計或空間環境設計提供參考依據。農村空間中的信息被高效獲取，無論是信息質量還是獲取速度，其優勢均大于傳統調研手段。圖4通過二維矢量圖與三維可視圖做對比，證明了該技術手段的精準度和準確性，故可以大規模應用于農村空間中。

圖4 AlgoLab R2V Toolkitren二維矢量化流程

4 優勢分析

4.1 提高工作效率

以農村空間可視化設計調研為例，農村設計調研是個復雜的過程，包括需求對接、明確定位、收集資料、調研考察。相比較現有的設計調研模式而言，無人機傾斜航拍技術可以在相對短的時間內獲取盡可能多的資料，可反映真實的場地狀況，使設計調研的主體對于場地現存地形條件以及具體情況有清晰直觀的認識，此技術對于設計調研的前期分析，節約了時間成本等資源，同時可為后期設計方案的優化提供數據保障。

由于工作環境和專業知識的差別，在方案闡述中設計師的思維與意圖并不能百分百被服務對象吸收領會，故導致談判雙方陷入僵局。如果換一種表達方式，以無人機傾斜航拍技術下的二維矢量化平面布局和三維可視化模型渲染，這種實景疊加虛擬的方式呈現在服務對象的眼前，使設計思維從抽象到具體，從虛構到現實，縮短想象與實際之間的距離，即可對設計方案一目了然，可推動整個項目的設計進程。

4.2 擴大覆蓋范圍

在一定范圍內，如果把調研實施對象平均劃分為等大的測區范圍，傳統的做法是在小范圍測區內進行，然后才能逐步拓展到各個不同的測區，數據采集的工作量較大，效率也不盡如人意。對于農村空間尤其是當下可視化的調研而言，調研的真實性及準確性十分重要，無人機本身可以采集海量的數據加以分析比對，通過內置運算方法以及計算機的處理摒棄虛無的數據，提取真實可靠的數據，并提高數據的準確性。相比較傳統做法獲取相關數據，無人機傾斜航拍技術可以達到較大范圍內數據的采集，可快速且全方位系統地了解所要設計的測區場地，這里的關鍵在于無人機的高空作業機動性是別的技術手段所代替不了的，正是由于該手段的先進性，使得在實地項目中所覆蓋的范圍大大增加，極大地提高了生產效率。

4.3 清晰獲取現狀

農村空間可視化設計調研中的前期分析工作，即獲取調研對象的現狀基礎信息，包括地形條件、水文植被、地域特色等資料，進行場地分析的過程。傳統現狀資料的獲取具有一定局限性，該資料可以通過相關部門獲取，但缺少相關的三維信息資料；或通過走訪調查結合實地勘測等手段，并通過衛星遙感獲取目標的資料，但這種方法成本較高，缺少對現場空間的全面認識，特別是在農村社區這種復雜空間中的調研。

在農村空間可視化設計調研中，可利用無人機傾斜航拍技術獲取二維矢量化及三維可視化的現狀信息資料，清晰地獲得農村空間的現狀，從而為農村空間前期調研分析提供資料依據。如在本次的調研活動中對沙塘村的現狀進行了可視化的呈現，獲得沙塘村現場地形地貌特征(如圖5所示)，可視化的呈現方式為農村空間的規劃設計提供了前期依據。

由圖5可以看出，村落的現狀范圍界限清晰，周圍為山地且植被覆蓋率較高，路網結構清晰，大多數道路鋪設水泥路面，建筑布局南北朝向為主，建筑物間距較為合理。可視化的呈現方式也可直觀看出其不足之處，如由圖5可直觀看出缺少公共休閑活動場所；無標志性廣場；雖植被覆蓋率高但未形成有組織的景觀空間；主要道路寬度不夠，導致車輛錯車受限；交通路網需要完善內部巷道，組織交織錯落的路網。

圖5 調研場地整體可視化呈現

4.4 擴展調研方式

農村空間可視化設計調研中，無人機傾斜航拍技術的運用使得傳統的測量技術手段發展到可視化技術手段，多維視角下的信息呈現模式在獲取海量信息數據的同時其精準度也可得到保障，有效獲取調研場地的現狀，現場直觀性得到充分展現，為調研工作的選擇提供了新的途徑，其可視化的成果提升了工作效率，為當下的設計調研乃至未來的可視化規劃設計提供了資料依據。

農村空間可視化設計調研需要對現狀充分認知并分析，農村空間的設計調研包括信息獲取、資料收集等，這是設計調研開展的必要前提條件。十九大報告提出實施農村振興戰略，傳統調研方法由于資料的相對受限，無法全面深入地開展調研工作，導致了其調研的局限性，而可視化調研對后續工作的開展起著至關重要的作用，為農村振興的建設及規劃設計的工作提供具有可操作性的資料。

5 結語

本研究利用無人機傾斜航拍技術對農村空間進行了可視化研究。由于我國存在較多地理信息數據缺失的農村空間，且地貌特征較為復雜，利用本文方法可以快速將農村空間可視化，以沙塘村作為研究基地，通過無人機外業和軟件內業相結合的方式，將農村空間進行可視化呈現，且呈現方式多維，包括二維矢量化和三維可視化2種呈現方式，全方位展現了調研場地的現狀，為設計調研尤其是當下的可視化設計調研提供新的易行方法。

受調研設備和個人能力的限制，可視化的顆粒度僅達到厘米級，未能將可視化的顆粒度達到毫米級甚至更為精細的程度，在今后的研究中應總結經驗并尋找解決方案。