基于無人機低空航拍航測技術的傳統聚落調查及其應用前景
——以南京市老門東為例

楊 陽

唐曉嵐*

詹巧巧

賈艷艷

李哲惠

1 背景

1.1 無人機航拍航測技術

無人機航拍航測技術是以無人機為空中平臺，搭載一個或多個遙感設備，通常在1 000m以下高度從多個角度記錄航拍圖像與影像信息，最后利用計算機處理、制作和儲存數字化成果的新技術[1]。1917年，第一架由無線電控制的無人機“Ruston Proctor Aerial Target”登上歷史舞臺，當時無人機的研發主要應用于軍事航空領域。隨著現代數字化技術與無人機技術的發展，各種小型、高精度、低成本的遙感器和無人機被不斷研發出來，無人機系統的各項性能不斷完善，并逐步被應用于偵查監視、救災搶險和民用遙感領域[2]。近幾年，國內的大疆等無人機民營企業及無人機科研技術的崛起，使無人機航拍航測技術越來越受到各行各業的青睞。

1.2 無人機航拍航測技術的應用普及

早期的無人機航拍航測主要應用于地質測繪、天氣預報、森林火災監測、海洋監測，以及冰川消融等科學研究[3-4]，隨著技術的發展與普及，這一技術已得到較大幅度的推廣應用。在礦產和地質等工程領域，人們能夠直接利用無人機遙感的矢量地形數據制成高精度地物模型，用以精細調查發現相關問題[5]。在水利工程中，無人機可以為大型水利工程提供安全監測，調查土壤侵蝕程度，完成水土保持工作[6]。在森林管理領域，無人機搭載激光雷達可以獲取植被生長勢信息，提高森林監測的準確性[7]。在農業生產領域，無人機低空航拍可以獲取農作物的生長和營養狀況信息，為農業生產提供技術支撐[8]。無人機還可以為電力電網的定期及應急巡視等安全監測提供有力支持[9]。此外，目前中國已有北京、上海、武漢等多個大城市開展了基于無人機航拍航測技術的三維地圖研究和生產工作[10]，無人機航拍航測在城市空間規劃、輔助決策與可視化等方面得到了相應的應用。

1.3 無人機航拍航測技術在風景園林專業中的應用

無人機航拍航測的遙感影像數據可以準確地對調查場地進行分析，為園林方案的規劃設計提供資料依據[11-12]。在園林綠化中，采用無人機遙感影像和數字圖像分割技術可以實現植物三維綠量的定量分析[13]。在景觀生態學領域，也有學者將這一技術用于分析景觀格局的時空變化[14]。此外，無人機航拍航測在古典園林的三維激光掃描測繪中也有了一定的應用[15]。

圖1 研究技術路線

1.4 應用無人機航拍航測展開傳統聚落調查的目的

傳統聚落是我國建筑文化的重要歷史遺存，記錄、保存好傳統聚落數據資料具有非常重要的意義。住房和城鄉建設部、文化部、財政部曾在《關于做好2013年中國傳統村落保護發展工作的通知》中提出將建立“一村一檔”作為傳統聚落保護發展的重要任務之一；馮驥才教授也認為每個傳統聚落都應有自己的檔案。從現實情況來看，現階段急需采取多種方式方法，從不同層面搜集、整理和保存這些數據信息，摸清我國傳統聚落的家底。

傳統聚落的調查通常采用田野調查法[16]，即深入調查地，以人工參與觀察和訪談的方式收集資料，通過對這些資料進行定性分析，進而去理解和解釋一些問題。這種方式通常耗費大量的人力、物力、財力和時間，使得野外調查往往停留在人工階段，系統性、綜合性較弱，難以滿足傳統聚落檔案資料建立等工作的新時代要求。在5G時代、大數據和智慧城市的大背景下，傳統聚落的保護急需高新數字技術作為支撐，引領行業發展，推動信息的數字化、互聯網化和全民共享性。

基于上述反思，本研究旨在運用無人機航拍航測技術解決上述問題，研究技術路線如圖1所示。研究的主要目的如下：1)分析無人機低空航拍航測技術在傳統聚落調查中的優勢與應用前景；2)以南京市老門東為例，通過無人機航拍航測獲取多種數字化成果；3)以案例為支撐，將無人機航拍航測技術與傳統田野調查法相比較，闡述無人機調查的優勢與運用價值；4)對該技術的推廣普及從4個方面提出相應的建議。

2 無人機航拍航測技術的設備與方法

無人機航拍航測系統主要由無人機平臺、飛行控制系統、數字遙感設備和數據處理軟件4個部分組成。常見的無人機平臺種類繁多，按飛行方式可分為固定翼型、旋翼型和復合型，最常用的無人機平臺是小型多旋翼無人機。飛行控制系統一般利用常規線性控制和單獨導航的方法完成無人機的飛行過程，對飛行穩定性、數據傳輸和遙感數據獲取起著關鍵作用。數字遙感設備主要包括小型機載激光雷達、多光譜照相機和高光譜影像儀等數字遙感設備。數據處理軟件目前主要有Agisoft photoscan、Bentley Context Capture、Pix4Dmapper、MicMac、Menci APS和Altizure。

無人機航拍航測前應首先關注天氣氣象并檢查無人機的設備性能；其次選擇合適的調查地點、飛行操控位置，確定無人機航測路線；然后起飛，利用遙感設備采集遙感影像數據；最后通過計算機數據處理軟件進行后期數據分析。

3 新時代背景下無人機應用于傳統聚落調查的優勢及前景

3.1 優勢分析

無人機低空航拍航測具有以下優勢：1)調查資料快捷方便，非專業人員通過短期快速學習也可以操控飛行系統；2)設備系統具有低成本性，且調查時人力成本投入較少；3)操作機動性、靈活性和安全性強，在光照不足的陰天或是夜間，也可以完成航拍航測任務；4)數據獲取周期短、時效性強，數據采集完成后可以立即導入計算機處理；5)可多角度獲取高分辨率數據，彌補了衛星遙感和普通航空攝影受云層、高層建筑物遮擋的缺陷；6)具備科研優勢，具有無人機野外調查經驗的人員今后可以成為本行業的優勢人才。

3.2 應用前景

無人機航拍航測技術應用于傳統聚落調查保護的前景主要包括以下幾個方面。

3.2.1 利于數字化系統性地收集調查地資料

田野調查的資料一般多為人工的、凌亂的、發散的照片與文字記錄材料，后期需要細心分門別類地整理。因人工調查的片面性和主觀性，容易造成數據資料豐富的假象。無人機航拍航測技術有助于從中觀、宏觀層面系統性地收集調查地數據，對傳統聚落的山水格局、植被資源、水文水系、空間形態、街巷肌理、公共空間、民居建筑、水利設施，以及防御設施等信息展開全方位、多視角調查，也可以對居民的風俗習慣、節日活動、傳統技藝進行實時航拍記錄。這些數據資料能夠為傳統聚落生態、歷史、文化和美學價值的保護形成持續記錄的數字材料。

3.2.2 推動資料形成網絡數據庫、數字博物館

無人機航拍航測的遙感數據與非遙感數據之間具備一定的兼容性，可以實時存儲于數據管理平臺和云系統中，形成網絡大數據庫。2017年起，住房和城鄉建設部已研究運用這項技術構建我國國家級傳統村落數字博物館，目前已有22個省的200多個國家級傳統村落完成數字化入館工作。這些數字化資料便于進一步加強傳統聚落的傳播展示，有助于傳統聚落的更新、復興與改造活化。

3.2.3 突破傳統檔案思路便于多部門共享合作

無人機遙感獲取的數字化資料能夠突破傳統檔案管理的思路，改變以往照片等紙質化材料難以共享的狀況。這些信息數據可以便捷應用于傳統聚落保護發展的各類相關規劃、政策和管理制度的制定，為各地住房和城鄉建設廳(局)、文物局、文化遺產管理局，以及文化和旅游局等部門的工作提供支持。

3.2.4 為旅游開發實時動態監測提供技術支撐

通過旅游開發為傳統聚落的保護與更新提供資金支持已經成為一種重要方式。然而，多數旅游開發的項目存在破壞性利用的問題，主要原因在于旅游項目選擇、設施布置、計劃安排等方面與保護管理之間存在矛盾。無人機航拍航測能夠給相關監管部門的管理工作提供實時動態的監測數據，解決人工普查費時、費力、費財和滯后性等問題。

圖2 無人機低空航拍航測的設備及航線(A-DJI Mavic pro 2無人機；B、C-無人機控制軟件Altizure及其操作界面；D-無人機航拍航測的拍攝點及航線)

圖3 老門東傳統聚落的無人機調查(A-無人機起飛現場；B-老門東正射影像圖；C-老門東數字高程圖；D～F-無人機采集的高分辨率圖像)

4 無人機航拍航測在傳統聚落調查中的應用

4.1 研究區概況

老門東傳統聚落位于南京市老城南端，因坐落在中華門東側而得名。自明代開始，這里就發展成為江南地區的商貿經濟中心，清朝年間，眾多文人墨客在此修建宅院，老門東逐漸轉變為居民居住地。現存的老門東傳統聚落范圍主要為南京市規劃局公布的《三條營歷史文化街區保護規劃》和《雙塘園歷史風貌區保護規劃》所涵蓋的地區，東至江寧路、西靠中華門、南抵明城墻、北起長樂路(圖2D)。老門東基本保存了原歷史舊貌的街巷肌理，由主街兩邊伸出次級街巷，構成“非”字形，具有多、長、直、窄的特點。建筑延承的是明清時期磚木結構的建筑風貌，為院落民居形式。蔣壽山故居、上江考棚舊址、周處讀書臺和傅善祥故居等多處歷史建筑遺址散布其中。

自20世紀80年代起，老門東經歷了“改造”“復興”“保護”3次重要的規劃改造[17]。然而，目前改造后的老門東依然存在不足之處，如商業化的旅游開發模式，使老門東存在著違章搭建現象，破壞了整體風貌。因此，本文選取老門東傳統聚落為研究對象，采用無人機航拍航測這一新技術方法，開展研究區調查，為后期的保護規劃及管理工作提供數字化資料。

4.2 航拍航測調查的方法

本次調查使用的是我國大疆創新科技有限公司生產的Mavic pro 2無人機，航拍航測區域面積范圍約為260m×300m。調查時間為2019年7月某日14：00左右，當天天氣晴朗，風速1～2級，PM2.5優。飛行預設的相對高度為200m，共布置了21條航線(橫向10條、縱向11條)，相機傾斜角為45°，航向重疊率設定為70%，旁向重疊率為45%，飛行速度為5m/s，航拍間隔時間5s。使用Altizure軟件控制無人機在規劃航線上執行飛行任務，共獲取297張高清原始遙感圖像(圖2)。

4.3 航拍航測調查的數字化成果

在軟件Pix4Dmapper中，由遙感圖像進行正射拼接得到研究區正射影像圖(圖3B、D～F)和數字高程圖(圖3C)。根據遙感數據進行空三加密運算，生成測繪區的點云數據，再依據圖像紋理的自動映射，構建出老門東傳統聚落的高品質數字地表模型(圖4)。數字地表模型可以結合ArcGIS軟件進行三維瀏覽，通過虛擬現實技術(VR)對老門東進行三維實景的沉浸體驗。

圖4 老門東傳統聚落數字地表模型

表1 外業數字測圖技術規程中地物點平面位置精度要求(GB/T 14912—2005)

5 無人機航拍航測與傳統田野調查方法相比的優勢與運用價值

在本案例中，將無人機航拍航測與傳統田野調查法相比較，就調查方式、精度效果、調查成果及運用價值方面展開具體分析。以案例為支撐、以對比為核心，闡述無人機低空航拍航測調查的優勢與運用價值。

5.1 調查方式

此次無人機航拍航測老門東野外作業共由2名專業人員展開，總時長約為2h，后期由1名數據處理人員進行計算機數據處理，數據處理總時長約為5h。早前，在對老門東展開田野調查時，需5～10名人員依據調查目的展開不同角度的野外調查，如古樹名木資源調查、水體水系調查、街巷肌理調查等，時間通常為半天至一天，野外調查完畢后，仍需2～4名人員花費約1周時間整理不同類別的調查資料，并錄入計算機。從調查方式上看，無人機航拍航測在調查時間、人力消耗和數據獲取便捷性上具有一定優勢。

5.2 精度效果

以無人機調查的老門東數字地表模型為基礎，構建空間三維坐標系，選擇12處地物點做坐標位置精度分析。結果顯示，平面位置X坐標的中誤差為0.017，Y坐標的中誤差為0.093，二者均小于0.15，滿足外業數字測圖技術規程(GB/T 14912—2005)中不同比例圖紙的精度要求。Z坐標的中誤差為0.071，滿足1:500高程地形圖中平地0.5m等高距的1/3精度要求，同時也滿足1:1 000、1:2 000外業數字測圖技術規程要求(表1)。在數字地表模型中選擇了6處不同位置的主體建筑(具體位置見圖3B)，測量了主體建筑物的長度、寬度與高度，并與使用地面便攜式測距儀在現場相同位置測得的數據進行比對，用以驗證數字地表模型是否滿足建筑物的測量精度要求。結果顯示，建筑物長度中誤差為0.030，寬度中誤差為0.088，高度中誤差為0.019，三者均小于0.15，滿足不同外業數字測圖技術規程高精度測量的需求。基于地物點坐標位置及建筑物測繪精度分析，此次無人機航拍航測的老門東數據滿足野外數字測繪數據的高精度需求。

5.3 調查成果

無人機低空航拍航測的老門東數據成果，按照表達形式可以分為數字化文字、二維圖紙、三維模型、照片、視頻影像、統計數據圖表及報告等。而早期田野調查獲取的老門東成果，則主要是以文字記錄材料、報告、照片和視頻為主。無人機低空航拍航測可以直接得到老門東的正射影像圖、數字高程圖、數字地表模型，以及數字線劃圖等數據成果。其中，正射影像圖內含遙感色彩數據，能夠在ENVI、Erdas軟件中進行地物信息的監督識別。在數字地表模型中，對三維點云進行描繪、切片等處理可以得到建筑單體的平面、立面、剖面等數字線劃圖成果，這些是傳統田野調查方法難以便捷獲取的資料。

5.4 運用價值

目前用于無人機機載的遙感設備愈加多元，獲取的遙感信息種類大幅增加，航測數據的精度與范圍大幅增長，數據類型更加多元化。此次無人機調查的老東門遙感數據，可在今后與多種信息管理軟件相結合，對研究區的自然資源信息、社會歷史信息、建筑基礎信息、物理環境信息，以及游客行為信息展開分析與記錄。對于遙感數據的深度挖掘，可以擺脫傳統田野調查文字記錄、照片視頻記錄等人工調查資料的局限性，得到更多的信息數據。例如，將所得的研究區數字地表模型用于山水格局、街巷和水系格局的分析，可以得到區域規劃層面的信息成果；將所得的研究區物理環境數據用于微氣候的模擬分析，可得到區域的熱環境、風環境等數據；將所得的老門東數字高程圖導入ArcGIS軟件，可以進行研究區高程、坡度、坡向和日照等數據的分析。

6 無人機航拍航測技術應用的推廣普及

當前無人機系統的應用仍在一定程度上受制于技術水平、政策法規及社會環境等因素的制約。基于無人機低空航拍航測技術的應用前景分析、實際調查，以及與傳統田野調查方法的比較分析，本研究希望這一新技術能夠發揮出更多重要作用，并對該技術的推廣普及提出以下幾點建議。

1)技術發展。目前，我國市場上約有400家無人機制造商，中國已成為全球最大的無人機生產國，無人機的性能優勢愈發凸顯。不過，由于眾多傳統民居聚落分布于我國不同地形地貌、不同氣候和不同尺度條件下的客觀環境之中，用于山區丘陵地、寒冷地、大面積地域等復雜作業環境的無人機系統仍需進一步改進其升降、負載、續航、避障、增穩和通信等性能，并提升機載遙感設備性能，以技術提升滿足更多實際需要。

2)政策保障。近年來，有關無人機的政策文件頻出，數量逐年遞增，例如《民用無人機空中交通管理辦法》《民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》《低空空域使用管理規定(試行)》等。然而這些文件多為與人機操作、交通管制相關的規定，對于無人機的普及教育、培訓規范、數據版權等相關規定較少。因此，相關部門應適時完善無人機行業的標準、法規與政策，推進無人機技術與遙感信息數據的全民共享。

3)部門支持。各地各級地方職能機構、科研單位應結合無人機技術培訓，提升專業人員的知識技術水平。采取切實有效的措施，多層面鼓勵、吸引和支持管理部門、高等院校、科研院所、社會企業等單位，全面、系統、深入地開展無人機的應用實踐。基于無人機+大數據+互聯網理念，推出優秀的科研成果、研究案例和經驗總結，為不同領域提供智庫支持。

4)學科建設。在5G時代、大數據和“智慧城市”大背景下，風景園林學科的發展急需高新數字技術作為支撐。目前本學科人員使用較多的是無人機簡單的航拍技術，而航測技術由于操作復雜，后期數據處理所需的專業知識多且深，并未普及。總體而言，無人機的技術應用處于一種初級滯后階段，因此建議將無人機航拍航測技術作為一門新興課程納入風景園林學科的課程改革，以學科建設推動技術應用。

注：文中圖片均由作者繪制。