無人機實景建模技術在古村鎮實踐課程的應用

孫帥 ，王彪 （北方工業大學建筑與藝術學院，北京 100144）

1 建筑測繪教學的意義與現實問題

古建筑測繪是建筑學本科教學體系中最重要的實踐課程之一。通過實地測繪實踐，不僅可以使學生加深理解古建筑營造技法的相關知識，還可以掌握最實用的古建筑測繪及制圖方法，同時可以為未來的課堂教學或科研提供全新的研究素材，最直接的好處則是直接記錄了一批兼具科學和文化價值的建筑遺產。雖然計算機輔助設計技術可以大大降低制圖過程的時間和人力成本，但在現場的測量記錄仍然存在許多問題和制約因素。

首先，從測量工具和方法來看，依然以相機、卷尺、垂球等手工測量為主，不僅測量誤差較大而且現場測量十分辛苦。部分有經濟實力的院校引進的手持式激光掃描儀，由于其成果數據為點云格式數據量巨大，對于小型建筑構件的測量尚可，對于大面積或大型建筑（群）則無能為力。

其次，從測量實踐課程的時間安排上來看，多數院校將暑假作為教學小學期，利用5～8周的較長假期，保障建筑測量工程的順利進行。一方面占用了學生過多的休假時間，學生的參與積極性不高，另一方面我國多數地區夏季酷熱或多雨，戶外測量的氣候條件艱苦。多數學生疲于應付測量任務，而忽略了對建筑本身的觀察學習。

第三，從測繪實踐成果來看，主要以手繪圖紙、現場照片、CAD圖紙為主，各種成果之間缺乏橫向的比較分析的可能性。以現場照片為例，人視角度照片過于碎片化，缺乏對建筑整體的記錄，也很難進行系統的排列和整理；鳥瞰角度的照片，通常受限與場地現狀難以獲取或根本無法獲取，部分偏遠地區的測繪甚至無法獲得最新的衛星遙感平面來輔助測繪。

2 低空無人機遙感建模技術的硬件技術優勢

低空無人機（Low-altitude Unmanned Aerial Vehicle,LUAV）也稱為低空無人航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設備控制，或由預編程序操縱的非載人飛行器。按照任務高度進行區分，無人機包括超低空無人機（0～100m）、低空無人機（100～1000m）、中空無人機（1000～7000m）、高空無人機（7000～18000m）和超高空無人機（大于18000m）。經過多次飛行實踐我們發現飛行作業高度通常在100～200m左右，可以有效滿足古建筑或傳統村落的測繪需求。

我國傳統村落及古建筑地域分布廣泛,地理環境多種多樣,用無人機取代傳統的人工調研、人工作業方式,可以大大提高調研效率、縮減調研人力及時間成本,具有現實意義和應用前景。目前低空無人機多搭載小型成像與非成像傳感器作為機載遙感設備,具有采樣周期短、分辨率高、像幅小、適應復雜地形、節省人力資源等優勢，在收集、處理、分析中小尺度的農村居民點空間信息方面，具有很大的應用潛力和發展空間。需要特別指出的是,無人機測繪系統適用于高原、山地、丘陵、平原、盆地、水域等多種地形地貌,可以從更高、更廣、更動態的視角,更快、更準確、更便捷地獲取傳統村落及古建筑本體和周邊環境的空間數據信息。近一年來，低空無人機遙感建模技術開始被國內建筑、景觀、規劃的研究人員所關注，以高校和大型規劃研究院為代表的科研單位嘗試引進此項技術。

3 低空無人機遙感建模技術的軟件技術優勢

隨著“數字地球”和“虛擬現實(VR)”技術的發展,航空攝影測量技術經歷了一場由平面二維向空間三維系統的變革。其所建立的空間三維實景模型平臺,兼具完善地理信息系統空間處理和分析能力、大大拓展了傳統GIS信息表現形式的新興技術。基于數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）和數字線劃圖（DLG）的三維地理信息系統提供了處理、分析地理數據及相關屬性信息的更直觀手段,并且在疊加上相應的地理要素后就可以獲得表現力豐富的三維專題地圖。將這些技術應用于中小尺度空間內的景觀、建筑等領域,可以有效減少規劃、保護、管理的工作量,實現基礎數據智能化、數據處理自動化、數據輸出可視化的目標。

這樣一方面可以有效收集傳統村落、古建筑的空間及周邊環境的海量數據,另一方面有利于未來更加便捷地使用這些數據。低空無人機遙感建模的空間模型成果，可以完整而清晰地記錄并展現單體建筑物的形體、色彩、材質、風貌，整個村落建筑物的分布形態、道路分布以及與周邊地形關系等空間信息。海量的紋理、材質及空間細部信息儲存在完整統一的三維立體空間模型中，同時不僅僅是單一角度的航拍鳥瞰照片，具有GPS坐標的三維模型還可以進行實景測量等輔助性工作。

低空無人機測繪技術收集海量數據的便捷性，相關軟件分析處理海量數據的智能性，可以把研究者和政策制定者從海量數據中解放出來，將更多精力和時間投向其內在發展規律和推動因子的研究。該理念的提出，順應了信息技術發展的趨勢，客觀應對并解決研究過程中的現實問題，可以更加清晰地揭示龐雜數據庫中的變化規律，并對上述空間大數據進行自動分析，輔助研究者綜合評估相關空間數據變化的趨勢以及分布的合理性，具有廣闊的應用前景。需要指出的是，當這些空間數據的發展規律和推動因子越來越清晰時，反過來可以使相關軟件平臺更加完善、更加科學，這是一種良性循環和互動。

4 基于低空無人機遙感建模技術的傳統村落測繪實踐方法

4.1 測繪任務

由于低空無人機遙感建模技術的高度自動化，通常一個約1km2的測繪區域只需3～4周即可完成。項目組成員通常可以分為2個子團隊，包括業外飛行測繪團隊和業內數據處理團隊，其中業外飛行測繪子團隊通常包括1個無人機測繪小組和1個地面監控及人工補拍攝影組。通常測繪內容包括1:500或1∶1000地形圖測圖，以及.max或.mtl或.obj等常用通用格式真實紋理三維建模兩項任務。具體工作內容包括飛行作業、地面控制點測量、地面像片補拍、數據處理及三維場景構建等，最終構建起智能化的完整村落及其周邊環境的真實紋理三維場景。

4.2 系統選型

選用的低空無人機遙感建模系統包括低空無人機航測系統1套和無人機三維建模系統1套。考慮到測繪地點遠離城市設備不易維修，測繪地區地形地貌及氣象條件復雜等因素，無人機航測系統通常采用更為穩定的六旋翼或八旋翼無人機為平臺。通常微型或輕型無人機1塊電池的航時為20～30min，除去起飛降落等技術性動作，實際任務時間通常為15～25min，因此一架無人機通常需配備15～20塊機用充電電池，以保障一個全天或兩個半天的持續飛行。由于開展測圖任務和三維建模的信息采集任務需要大量照片，通常相機以三拼或五拼數碼相機為航攝任務載荷，提高航攝飛行效率。

4.3 人員安排

測繪任務需要至少需要3人，包括飛控人員、數據人員及布控人員等。其中飛控人員需要是中國航空器擁有者及駕駛員協會（AOPA）頒發無人機教員、無人機機長、無人機駕駛員證書的專業人員，其主要職責是制定無人機飛行計劃并實際操控無人機完成飛行及荷載任務。數據人員主要職責是輔助機長進行飛行規劃和數據監控，并現場對航拍數據進行初步處理。布控員的主要職責是控制點布測和無人機飛行狀態觀測監控。

4.4 時間計劃表

序號 工作內容 時間 備注① 前期準備設備、人員協調與調試；任務地氣象及地理資料收集第1～2日② 任務準備 前往任務區 第3日③現場查勘 第3～4日④ 測圖作業 測圖飛行 第4日⑤控制點測量 第5日⑥ 三維作業 三維飛行 第6日⑦地面像片補拍 第6～7日⑧ 工作收尾 相關區域補飛 第8日⑨撤離 第9日⑩ 數據處理 1:500測圖 第6～8日 作業現場即可開展數據處理輥輯訛 三維場景建模 第10日～20日 業內數據處理團隊人工調研團隊同步進村，有針對性地對重點建筑物、無人機盲點進行補測

5 課程實踐總結

基于低空無人機遙感建模技術的傳統村落或古建筑空間三維模型并不排斥傳統空間數據獲取方式，手持式相機、手機等圖像獲取方法可以有效補充低空無人機飛行盲區。由于飛行作業高度通常在100m左右，它主要收集中小尺度空間數據，恰恰適合農村居民點的空間尺度，也為宏觀的衛星影像數據和微觀的人工測繪影像數據，建立起了聯系的橋梁，形成“宏觀—中觀—微觀”完整的空間大數據庫（鏈）。

傳統村落或古建筑研究領域具有信息量大、收集信息困難、人力及資金不足、后續管理不力等諸多制約條件。與側重收集宏觀地理信息的衛星影像相比較,低空無人機測繪影像不僅具有高分辨率,能提供更多的細部形狀、細部紋理以及地表環境信息等數據,而且具有實時性和低成本性,傳統村落或古建筑通常涉及的中小尺度地形的三維重建方面也有著獨特的優勢，可以快速地完成遙感數據處理、建模和應用分析,可以作為衛星遙感和有人機遙感的有益補充。與側重收集微觀建筑單體信息的傳統人工測繪相比較，尤其是對于處于地形地貌較復雜空間中的村落,低空無人機測繪技術可以大大削減人工成本和時間成本。目前基于自動匹配生成離散點來構建TIN,輔以少量人機交互修改,最終生成更為準確的DEM完成三維建模的技術手段,還可以有效提高測繪精度,保證測繪進度。

通過實地飛行測繪與課程實踐，低空無人機遙感建模技術可以滿足城市規劃、景觀設計、建筑保護等研究領域的實際需求、符合其行業特征、解決其實際困難，可以為相關領域研究提供具有前瞻性的新辦法、新途徑；也可以進一步推動建筑、規劃、風景園林專業與信息技術的交流融合；同時還是為高校探索創新的交叉學科應用領域，，讓最新科學研究成果更好地為社會發展服務，更快地轉化為生產力。