基于無人機低空傾斜攝影測量的鄉村空間管理精細化研究

劉蕊 安逸飛 李衛偉 曹浩 楊易晨

摘要：在美麗鄉村建設和高質量發展要求的建設背景下，基于無人機低空攝影測量技術，支持鄉村空間規劃和鄉村空間管理工作，探索快速、高效、經濟、方便的精細化技術方法。本文以浙江寧波余姚梁弄鎮橫坎頭村、北京密云河西村、北京順義漢石橋村為例，分階段介紹基于無人機低空攝影測量技術為基礎，結合地面攝影測量、地面三維激光雷達掃描等技術手段，應用各類數據處理軟件和空間信息管理軟件的配合應用，探索鄉村空間管理精細化內容。

關鍵詞：無人機攝影測量；鄉村空間；鄉村規劃；鄉村管理；精細化

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無人機傾斜攝影測量技術在近幾年的探索和應用過程中取得了很多成果，具有專業應用多樣性、再開發利用兼容性、數據精度多層性等特征；在專業應用層面涉及城市規劃、國土測繪、建筑建模、城市管理、土地利用、軌道交通、應急指揮、礦山調研、價值估算等，地表可見空間層面元素都有很多學者進行研究；在開發應用層面可以跟多種專業軟件結合，如國土空間的GIS、建筑的BIM、VR和AR的虛擬展示等軟件進行兼容，實現調查研究——空間建構——項目管理——估算報價——監督評估——再調研的閉環鏈中，具有較好的兼容性；在精度層面，根據高、中、低空飛行器的不同，形成不同的數據精度^[2]，在600m以上的高飛行采集具有效率高、pos信息精準的特點，在300—600m飛行采集具有顏色真實和高分辨率的特點，在300m以下的低飛行采集其具有顏色真實、分辨率高、精度較高的特點。

本文重點針對無人機低空傾斜攝影測量（后續簡稱為低空攝測）為主要技術方法的鄉村空間管理精細化研究，分為若干研究層面和若干案例，其一，以寧波梁弄鎮橫坎頭村－－浙江抗日根據地舊址基于無人機低空攝測的三維模型建構+地面攝影測量，側重于鄉村重要單位的三維框架模型精細化和影像精細化；其二，以北京市密云河西村基于無人機低空攝測+地面攝影測量+地面激光雷達掃描在河西村的科學規劃和河西村清鎮寺保護的精細化數據獲取，側重于實現鄉村空間三維模型空地耦合的激光雷達數據，側重在數據的精細化；其三，以北京市順義漢石橋村基于地面攝影測量+地面激光雷達掃描結合ENVI和GIS，側重數據的精細化和管理平臺的精細化。

一、無人機低空攝影測量技術

（一）技術路線

無人機低空攝影測量技術在民用無人機高速發展的階段給城鄉規劃專業帶來了很大的助力，而低空攝測主要是300m以下的空間信息和數據采集，可用4軸、6軸、8軸旋翼機設備操作便捷。無人機低空攝影測量通過對二維圖像的拼合建立三維虛擬全景（VR），后者是基于傾斜攝影技術的三維模型重建，通過二維圖像的空三運算建立數字正射影像DOM、數字表面模型DSM和數字高程模型DEM^[2]。

當前鄉村空間建構實踐應用有兩條技術路線，其一是可以采用無人機三維激光雷達掃描+地面三維激光雷達掃描的建構方法，但是只能形成空間的框架模型；其二是基于無人機傾斜攝影掃描+地面三維激光雷達掃描+人工影像采集的建構方法（如圖1），既能形成框架模型，又能夠形成更為真實的現實模型。

（二）采集方法

采用多旋翼無人機搭載傾斜影像相機或是自帶云臺的相機的方式在低空空域對建筑聚落或建筑群進行多角度拍攝，攝影測量的目的就是通過改變相機的角度測量目標物的大小、形狀和空間位置的技術。多是應用在三維模型的制作、建立地形數據庫、為各種地理系統或建筑系統提供相應數據支持。針對鄉村形態的管理方式來說就是利用多旋翼無人機搭載相機或激光雷達的方式對聚落進行拍攝，與傳統方式相比利用無人機的方式更加快捷高效，并且可以通過無人機自帶的GPS系統pos數據對相機懸停拍照的位置進行標記處理，獲取到完整的地理信息坐標從而建立起完整的數據庫體系對之后的規劃或底資料整理提供高精度數據支持。

在數據采集階段，首先需要深入了解所取得的樣地，需要查詢樣地是否在禁飛區，周邊地形環境是否滿足飛行條件，周邊是否有機場或敏感設施，并且飛行的區域要避開人員密集或信號復雜的場所，并對飛行當天的氣象條件進行了解，確定滿足了安全飛行的條件。

在滿足安全飛行的條件之后進行無人機飛行航線的規劃，規劃飛行航線重要的就是了解所在區域周邊環境，周邊的地形是左右航線劃歸的重要一環，如果周邊有過高建筑或山地就需要在設定時候考慮到山體遮擋以及信號丟失的問題，在確定之后就可以進行航線劃歸了，無人機的間隔拍照率也就是拍照重疊率就極為重要，對于大多數地區掃描來說無人機攝影測量的掃描橫向以及縱向重疊率應均大于80%，否則會造成數據缺失或者模型拼接出錯的問題。

（三）數據處理

數據處理的關鍵技術流程在業內的主導方式為影像數據準備——多視影響匹配——空中三角測量——多視影響密集匹配——構建不規則三角網——紋理映射——實景三維模型成果。同步可以通過影像數據準備——多視影響匹配——空中三角測量——核線重采樣——影像自動匹配——生成DEM——生成單幅DOM——影像拼接裁剪——DOM成果^[3]（如圖2）。

在具體操作中首先開展數據準備，獲取無人機的POS數據，提高相片所在位置的精確角度，拼接處無人機的飛行拍攝軌跡。在獲取到無人機pos數據的同時可以通過Context Capture等三維建模軟件提取無人機拍照中的KML數據，KML數據的作用眾多但針對攝影測量來說可以導入谷歌地球了解到無人機照片的地理信息坐標。同時這些地理信息坐標也被附在了每張相片上。其二，多視影像匹配。在獲取到無人機拍攝相片的數據后就可以對無人機數據進行預處理也就是將無人機航拍的帶地理信息坐標數據的相片導入Context Capture軟件進行處理。其三，空中三角測量。形成可查看可測量的簡單模型，用作控制點的綁定與添加，控制點就是在無人機數據采集時為了提高數據的精度從而在固定地點測取的該點地理信息坐標，將這些控制點的數據再與無人機數據進行耦合可以極大地提高測繪出數據的精度，滿足測繪使用要求。其具體流程是將傾斜影像帶有的POS數據作為初始外方位元素，然后通過自動選點、自動相對定向、構建自由航帶網等技術實現相對空中三角測量^[4]，之后通過控制點的半自動量測，標注控制點。通過光束法區域網聯合平差實現絕對空中三角測量，并將整個模型納入到指定的坐標系統中^[5][6]。其四，多視影響密集匹配——構建不規則三角網——紋理映射——實景三維模型成果實際上基于軟件的程序算法，在對三維簡單模型添加完控制點之后就是對該樣的進行實體模型建造，根據需求依此建立區域三維3mx格式模型、三維obj格式模型、二維TIF格式模型以及las點云模型，并將這些模型進行實體處理提高精度，并可以導入GIS、SU、SCENE等軟件進行后期處理再利用，為研究提供高精度數據支持。其五，在趨向于DOM成果是，密集影響匹配后，在軟件中可操作顯示出點云構TIN、白模生成、紋理映射、生產制作正射影像、數字高程模型及數字地表模型^[7]。

（四）數據整理提取

數據整理提取及應用方面相對多元豐富，可以通過三維可測算的高精度模型了解所在地區地理信息數據、地表建筑信息、道路路網水源管網等基礎信息，利用las點云模型對所在區域內植被進行普查檢測，利用點云單木分割的方式獲取到坐在地區數模的數量、葉面積指數、胸徑大小等信息。利用所出的TIF模型對該地區地理信息數據進行繪制，獲取地形圖、地表建筑材質、所在地形位置數據等信息，可謂是利用無人機傾斜攝影技術提供過層次數據，解決多層次難點。在鄉村空間管理方面則具體以下面四個層次為例進行說明。

二、無人機低空攝測三維框架模型精細化和影像精細化

無人機低空攝影測量模型精細化就是基于基本技術的基本技術開展的，以寧波梁弄鎮橫坎頭村－－浙江抗日根據地舊址為例，初步指導坎頭村重要文物建筑和文物保護單位的信息采集。

余姚梁弄鎮橫坎頭村為傳統江南地區古村落，有浙江抗日根據地舊址，是省級文物保護單位，本身為清代木結構民居，南廂樓向東為正樓七間，正樓向西為北廂樓，正樓廂樓三間均有檐廊相通。1992年正式定名為浙東革命根據地紀念館，具有極高的建筑美學價值、歷史價值、文化價值和社會價值^[8]。本次是利用無人機攝影測量技術對浙東抗日舊址進行傾斜攝影，首先就是在了解周邊無敏感設施以及不是人員密集場所之后結合該村落普遍建筑高度進行航線測繪，為了可以對建筑山墻以及雀尾等建筑或建筑節點進行精確測繪，所以高度應該在保證安全飛行的同時降低飛行高度，并且在傾斜攝影的時候應該增加傾斜航線中傾斜角度的大小因為在無人機飛行高度固定的情況下，航拍的角度越高傾斜面拍攝的范圍就越大，同時航拍時航線離航拍物距離越遠，所以為了提高航拍精度以及數據的同時對航拍的傾斜角度進行調整，并增加航拍相片的精度。此次測繪就將重寫率設定為85%，將高度設置為30米，對該建筑群進行拍攝，并將無人機飛至100米處對該建筑群進行正射拍照，對該古村落進行高空球形全景拍攝。然后應用Context Capture進行內業處理，形成三維空間模型（如圖3）。通過模型的真實場景再現，清晰的實時觀覽文保建筑的情況，同時能夠清晰地識別到后樓院落的雜亂問題，有實證根據地進行監督、管理和開展文保工作。

三、無人機低空攝測三維數據精細化

采用多旋翼無人機和手持三軸云臺相機分別采集低空和地面的多視角影像，通過Context Capture軟件對來自地面、低空的多視角影像分別進行空中三角測量和區塊合并，形成基于多角度拍攝影像組織生成的三維影像精細化模型，引用地面激光雷達掃描儀，應用Scenc軟件和realworks軟件建立空間點云模型，地基點云和空機點云融合形成模型的數據精細化。

以北京市密云河西村為例，河西村地形四面環山，為古代長城內軍屯之地，同時河西村也是具有古老文化，大量傳統建筑古跡的古村落，具有深厚的文化底蘊以及歷史風貌，本次是對河西村基礎數據采集以及三維實景模型制作，所以針對本次需求制定了實際方案。

針對村莊的數據采集較為高效的方式就是利用無人機搭載傾斜五鏡頭相機的方式對該村村域內進行大面積、低空、高精度傾斜攝影，對地勢起伏較大的片區進習手動飛行與無人機地面站航點飛行相結合的方式進行數據采集，由于當地大量建筑為傳統古村落樣貌，所以樓高平均為5—6米的單層硬山頂建筑，所以對掃描來說應該降低無人機飛行高度，達到提高拍攝精度的作用，因為古跡眾多，無人機由于飛行高度原因很難達到人視角拍攝所以應該結合地基拍攝也就是通過地基激光雷達掃描與空基傾斜攝影相結合的方式進行數據采集，并針對這一特點，進行空基與地基相結合的三維建模方式。

在內業處理階段由于結合了地基采集數據可以將數據應用于古建筑測繪，三維建模貼圖，在外業技術后利用全景軟件將二維全景相片處理成可以VR展示的全景體感模型（如圖4），利用Context Capture和PIX4D軟件將傾斜攝影數據制作成三維點云模型以及可測繪三維實體模型。建立高精度的矢量模型用于保護研究以及鄉村數據資料集的制作。達到不但對古村落建模也同樣對單體古建筑進行精細建模，利用VR軟件將STL格式文件進行轉換可以制作出通過頭戴式VR設備進行沉浸式體驗。

四、無人機低空攝測三維管理平臺精細化

無人機低空攝測三維管理平臺是基于無人機搭載傾斜相機對項目地進行航線設定拍攝，再手動飛行無人機對重要的細節進行不同高度不同角度的傾斜攝影拍攝，達到重要節點精細建模。后續生成項目的DOM成果，導出TIFF格式，用于三維管理平臺的基礎數據，再用ENVI、GIS空間地理信息處理軟件，將柵格化TIF文件進行矢量化處理，然后分類處理，分為各類圖斑，進行指標管理和三維空間數據管理。

同步利用空基激光雷達對建筑外立面進行點云掃描，并且利用FARO地基激光雷達對建筑內部以及外圍進行定點掃描，這樣可以直接獲取到古建筑內部結構以及檐下木構架結構的精細點云數據。在掃描后將空基激光雷達數據與地基激光雷達技術數據同時導入real work軟件進行耦合處理，這樣在獲取到內部高精度數據同時也獲取到建筑外部尤其是頂部高精度數據，做到數據結合的無縫銜接。將耦合后的點云數據進行結膜處理，將點云模型變成實體原比例三維模型，這個模型就是三維管理平臺的激光雷達數據。

運用最大似然法對正射影像（DOM）進行監督分類，通過ENVI、GIS空間地理信息處理軟件，將柵格化TIF文件進行矢量化處理，然后分類處理，分為各類用地圖斑，提取圖斑進行對比分析，建設對比圖斑包括了合法與非法的建設點，需要根據實際情況對其篩選與分類，對鄉村建設進行監督管理^[9]。

上述方法在北京市順義楊鎮多村進行操作，如在漢石橋村宅基地施工和建設過程中，將建構筑物三維模型和GIS管理平臺數據庫對應，關聯建設內容的屬性信息，將現狀和平臺數據信息對比，對應變化，同時分類錄入數據庫。在使用無人機航測過程中，對比發現的問題和違規建設點，并督促拆遷進度，這些工作通過技術手段為美麗鄉村的管理提供依據。

通過傾斜攝影技術構建鄉村空間三維模型，簡化了一系列鄉村現場工作流程。同時，運用GIS，ENVI平臺實現了農房建設數據的高效處理與科學管理，同時便于數據的分類存儲、查閱、交換與共享^[9]。此外，實景三維模型可為村莊規劃、村莊風貌、村莊環境、村莊機理、古建保護等提供數據支持，逐步推進“數字鄉村”“智慧鄉村”的建設。

五、小結

無人機低空傾斜攝影測量在城鄉規劃領域已經有了多方面的應用和技術研究，但是基于鄉村空間管理精細化研究工作開展較少，多基于個別的傳統村落。本文探索在我國大多數鄉村中應用鄉村空間管理平臺，將更加有效地分析我國鄉村的發展趨勢。同時，結合我國百年大計實現之際和新百年開展之際，進行精細化管理是“美麗鄉村建設”和“高質量”發展的趨勢，能夠對鄉村空間進行實時的和定時的空間數據獲取和分析，有利于鄉村開展有序規劃、建設和管理工作。

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Fine Research on Rural Space Management Based on UAV Low-altitude Tilt Photogrammetry

LIU?Rui， AN Yifei， LI?Weiwei， CAO?Hao， YANG?Yichen

（Department of Urban Construction， Beijing City University， Beijing 100083， China; Beijing Institute of Cultural Heritage， Beijing Institute of Archaeology， Beijing 100009， China）

Abstract： Under the construction background of beautiful rural construction and high-quality development requirements， based on the unmanned aerial vehicle low-altitude photogrammetry technology， we support the rural space planning and rural space management work， and explore the fast， efficient， economical and convenient refined technical methods. With Hengkantou Village， Liangnong Town， Yuyao， Ningbo， Zhejiang Province， Miyun Hexi Village， Beijing， and Hanshiqiao Village， Shunyi， Beijing as examples， this article introduces the combined application of various data processing software and spatial information management software， and explores the refinement of rural spatial management content?based on drone low altitude photogrammetry technology， combined with ground photogrammetry， ground 3D LiDAR scanning and other technical means.

Key words： UAV photogrammetry; rural space; rural planning; rural management; refinement

（責任編輯：侯凈雯）

收稿日期：2022-09-25

作者簡介：劉蕊（1979-），女，河南人，副教授，碩士，主要研究方向：歷史文化遺產保護、城市規劃與設計、村莊規劃設計。

安逸飛 （ 1996 － ） ，男，北京人，攝影測量員，本科，主要研究方向： 無人機三維建模、激光雷達點云技術、無人機航測技術。

基金支持：本研究受北京高校卓越青年科學家項目（JJWZYJH01201910003010）。