無人機傾斜攝影的三維重建技術在鄉(xiāng)村景觀設計中的應用

邱 峰 劉微微

建設美麗鄉(xiāng)村是我國鄉(xiāng)村振興政策的重要目標。在傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀設計中，設計師通常需要進行多次現場調研，內容包括村莊基本情況、周邊概況和場地條件等。由于場地范圍較大，調研時要投入大量人力和物力，導致設計周期較長，前期投入成本較高。

隨著數字技術的發(fā)展，民用無人機逐漸進入消費市場。利用無人機傾斜攝影獲得帶有坐標的多圖像影像，可獲取空間尺寸數據并構建三維空間模型，還原真實場地情況。一些研究者已在鄉(xiāng)村振興項目中應用無人機技術。如吳寧博士及其研究團隊利用無人機攝影技術開展了大量應用實踐，用無人機自動場地巡視和古建筑三維保護等。通過無人機航拍技術，采集了浙江省部分鄉(xiāng)村的影像和數據，有效驗證了無人機傾斜攝影在鄉(xiāng)村規(guī)劃和古建筑保護領域的積極作用。

雖然許多景觀設計團隊用無人機進行前期設計調研，但主要用于場地觀察，并未涉及三維空間模型的應用。目前，基于無人機攝影三維重建技術的鄉(xiāng)村景觀設計，仍然處于探索階段，主要原因是缺乏專業(yè)無人機航拍人員和三維空間數據處理工程師，不重視數字化技術和新媒體技術的應用。

1 無人機傾斜攝影的三維重建技術

無人機傾斜攝影三維建模是近年來無人機技術的發(fā)展成果。該技術一方面通過無人機飛行器的高清攝影頭，分別從5 個不同角度采集指定空間范圍內的對象數據。采集位置和角度包括1 個垂直地面的角度和4 個與地面成15°～45°的傾斜角度。采集對象包括空間范圍內一切客觀存在的物體，如地貌環(huán)境、建筑、人物和交通工具等。另一方面，利用影像數據的坐標信息重構三維空間模型。對無人機拍攝的多組影像內容進行剪輯和拼接，生成數字正射影像模型（Digital Orthophoto Model，DOM）和數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）等[1]。構建出的虛擬三維空間模型不僅有利于設計人員測量數據，而且能夠作為直觀的三維動態(tài)交互系統(tǒng)。

目前，該技術方案已經成功應用于鄉(xiāng)村振興項目，成為鄉(xiāng)村景觀設計中獲取前期資料的一種重要輔助手段，為方案設計提供了更精確的數據資料。為獲取更加完整的地物側面紋理信息，利用無人機搭載的攝像頭從垂直和傾斜等多個角度采集影像，同時增加航帶間的重疊度，使重疊度達到60%以上。無人機影像和數據處理可以使用傾斜影像數據處理軟件，如實景建模CC 軟件。

1.1 技術優(yōu)勢

無人機傾斜攝影技術拍攝的影像資料能真實反映空間環(huán)境，解決無法還原場地周邊環(huán)境而導致的設計方案與實際環(huán)境脫節(jié)的問題。將三維建模技術和無人機傾斜攝影技術有機結合，可以實現技術互補，獲得更好的應用效果。

在鄉(xiāng)村景觀設計過程中，無人機傾斜攝影可準確測量空間尺寸。無人機拍攝的影像帶有坐標數據，由影像拼接成的三維空間模型經科學計算，因此模型的誤差較小。在傳統(tǒng)景觀設計過程中，場地數據由人工測量，條件和工具的限制使測量周期較長，且誤差較大。利用三維空間模型測量場地數據，既方便又準確。無人機傾斜攝影甚至可采集空間范圍內建筑和景觀構筑物的材質和紋路，便于景觀方案的設計。此外，重構三維空間模型是網格片面化拼接的模型，并非在設計軟件中建立的模型，能有效避免模型儲存空間過大問題。重構三維模型還可進行壓縮處理，易于網絡發(fā)布[2]。

1.2 實現路徑

無人機傾斜攝影三維重建技術包括無人機采集數據和重構空間模型2個主要部分。無人機傾斜攝影三維重建空間技術路線圖如圖1 所示，詳細展示了三維空間模型重建的基本流程。無人機采集數據是指使用無人機采集帶有地理空間坐標的圖片和數據。本文使用精靈Phantom 4 無人機進行航拍和傾斜攝影，以采集景觀空間的相關數據信息并在Altizure 平臺上設置無人機的自動航線。航線設置要確保采集的圖像和信息完整，而且要保證相鄰圖像有一定重疊，為后續(xù)的三維空間重構奠定基礎。

圖1 無人機傾斜攝影三維重建空間技術路線圖（來源：作者自繪）

將采集的影像和圖片導入CC 軟件。首先，要檢測影像和圖片的質量，剔除不合格的影像和圖片。其次，根據實際情況選擇坐標系和設置算法。最后，在軟件中進行空中三角測量計算，提取影像數據的坐標信息進行空間匹配和排列，推算影像圖片的空間位置，生成點云圖。軟件生成點云分布后，開始構建三維模型。在實景照片自動合成模型的過程中，會出現三維模型拉花、破面或垃圾物遮擋等問題，需利用3ds Max 和C4D 等三維軟件進行修復。構建的三維模型可以導入不同平臺進行展示[3]。將模型導入Acute3D Viewer 軟件，可進行模型展示和測量。此外，在模型中融入其他信息內容，可形成數字化可視平臺。

2 無人機傾斜攝影的三維重建技術在麻蓬村景觀設計中的應用

2.1 數據采集

景觀設計場地為浙江省衢州市柯城區(qū)石梁鎮(zhèn)麻蓬村中心廣場。在進行無人機傾斜攝影之前，要調查場地情況，確保無人機能夠正常采集數據。探查石梁鎮(zhèn)的禁飛區(qū)，了解到麻蓬村不屬于禁飛區(qū)，但屬于限高飛行區(qū)域，限制飛行高度為120 m。

確定無人機可以正常飛行后，進行場地實地調研，確定無人機航拍的具體范圍和高度。根據現場調研，了解到中心廣場區(qū)域的景觀設施初具規(guī)模，包括亭廊、水景、植被、雕塑小品及停車場等。

通過現場調研可知，需要航拍的范圍東西長80 m，南北長200 m，呈矩形形態(tài)分布。航拍區(qū)域內無高層建筑，但區(qū)域內的香樟樹可能會對無人機飛行造成一定干擾，因此將無人機的最低飛行高度設置為60 m 以上。這樣既可以躲避飛行障礙物，又可以獲得精度較高的影像數據。

2.2 飛行航線任務規(guī)劃和圖像采集

無人機航拍影像的質量對三維建模的精度起著決定性作用，會直接影響三維模型的效果。航拍影像的質量受天氣影響較大。在光照強烈的中午進行航拍，會導致影像曝光過度。暴雨或強風天氣不但會影響無人機的安全性，導致其失控墜毀，而且會使影像模糊，質量不佳。因此，本次無人機航拍在無風無雨的天氣進行，航拍時間選擇在09：00。在實際起飛前，要進行飛行前準備和檢測，具體操作流程如下：

1）準備和檢查飛行設備。一方面要確認無人機的電池電量，若電池電量不足應及時補滿，同時準備備用電池。另一方面要檢查無人機設備。村莊內有大量村民和游客，為避免無人機發(fā)生意外墜毀或傷人，在飛行前要仔細檢查無人機螺旋槳是否固定牢固，無人機與手柄連接是否通暢。

2）選定起飛點和降落地點。無人機的起飛點和降落點應設置在較為空曠的區(qū)域。麻蓬村中心廣場的人流量較大，植被和建筑物較多，不適合無人機起飛和降落。停車場區(qū)域的車輛較少，人流量較小，空間較為開闊，具備無人機起飛和降落的條件。

3）設置航測參數。根據三維建模區(qū)域的需要，在Altizure 軟件中設置無人機的飛行航拍范圍、自動航拍路線數量與方向、拍攝影像的傾斜角度與物體重疊度以及無人機高度等技術參數。航拍區(qū)域內的物體較為復雜且紋理豐富，因此將本次航拍的影像重疊率設置為85%，以保證后期三維模型的精確度。

4）執(zhí)行航拍飛行。相關參數設置完畢后，無人機自動執(zhí)行航拍任務，由操作人員監(jiān)視無人機的實時飛行情況。在飛行過程中，操作人員需要重點關注無人機的電量和任務完成程度，確保無人機順利完成預定任務并及時返航。根據三維建模精度的需求，分別設置了60 m、80 m 和100 m 這3 種高度的航拍飛行任務，以獲得較為全面的空間數據。

2.3 航拍影像三維空間重建

航拍結束后，根據采集的影像和圖像數據進行三維空間重建。由于天氣原因可能會造成影像的感光和色彩差異較大，要利用ACDSee 軟件對影像和圖片進行初篩和處理。本次飛行時間為09 : 00，接近中午時陽光較為強烈，導致部分影像和照片曝光過度，需要調整其感光度，消除曝光造成的圖片差異。

在CC軟件中導入篩選后的圖片，檢測圖片的坐標信息和完整性。檢測無誤后打開運算引擎，設置輸出格式和運算方式，開始空中三角測量（以下簡稱空三測量）運算[4]。軟件自動對影像圖片信息進行匹配、處理和運算，并結合圖片的地理坐標數據自動排列。圖像匹配完成后，軟件視窗中會顯示航片的矩陣排列模型。

在空三測量過程中，軟件自動計算圖片數據信息并結合定位定向系統(tǒng)（Position & Orientation System，POS）提供的影像地理數據，測算每張影像的密集點云數據。在同一空間參考系下，軟件會推算出影像的點云位置分布狀態(tài)，并在三維視圖中展示麻蓬村中心廣場的區(qū)域特征。

空三測量結束后，開始構建三維模型。由于計算機硬件條件限制，要進行分區(qū)域建模，以提高建模速度。無人機拍攝影像存在重疊區(qū)域，導致實景模型出現水體破面和部分建筑邊緣扭曲等問題，需要將模型導入3ds Max 軟件進行模型修整。

利用3ds Max 軟件修復模型時，要盡量保證空間的完整性和準確性，必要時可去除多余對象，使模型簡潔。將修復后的模型導入Acute3D Viewer軟件，進行模型旋轉和測量。

該三維模型能夠反映廣場空間周邊的真實情況。通過模型可以看到場地范圍界線清晰，景觀水系依地勢而建，路網結構清晰，交通較為順暢，溪邊步行道路植被較多且層次豐富。但是，停車場規(guī)劃過于簡單，未與周邊環(huán)境形成很好的呼應，而且綠化植被較少，地面硬化較多，缺乏空間過渡。

3 無人機傾斜攝影的三維重建技術存在的問題

近年來，隨著無人機技術的發(fā)展，利用無人機傾斜攝影進行三維空間重建被越來越多地應用于城市建設規(guī)劃和土地測量。但是，無人機飛行和三維空間重建還存在一定問題，導致無人機傾斜攝影三維重建具有不確定和不可控的風險因素。

3.1 無人機飛行問題

無人機飛行存在法律風險和飛行安全問題。無人機飛行受到國家管控，設有禁飛區(qū)和限高飛行區(qū)，并非所有場地都可以無限制飛行。由于飛行管理限制，在無人機飛行前，要向相關部門申報，取得合法的飛行許可后才可以執(zhí)行飛行任務。

在鄉(xiāng)村進行無人機飛行時，要注意飛行安全。由于場地尺度較大，飛行高度較高，無人機與地面飛行手的聯(lián)系可能出現延時或中斷的問題，這會增加無人機與其他物體發(fā)生碰撞事故的風險。因此，無人機要具備智能避障功能，盡量減少安全問題的發(fā)生。

此外，無人機在極端氣象條件下飛行會影響飛行效率和飛行安全。由于無人機自重較輕，因此在風雨天飛行時的穩(wěn)定性較差，容易受到氣流影響，使得無人機出現拍照不穩(wěn)定、排列不整齊和拍攝模糊的問題，影響圖像的準確性和質量。

3.2 三維模型構建問題

在三維空間重構過程中，三維數據的存儲、分析和渲染技術有待提高。建立的點云分布多面體模型的坐標系不統(tǒng)一，導致模型的兼容性較差，無法導入部分三維建模軟件。基于無人機航拍圖像生成的三維點云分布和三維空間模型，數據體量較大，一般的計算機無法完成計算和渲染工作，需要使用工作站的計算機。此外，渲染后的模型面數過多，占用儲存空間較大，導入其他軟件時會產生卡頓或無法顯示，需要借助簡化工具將高精度模型變?yōu)榈途饶Ｐ停瑢е鹿ぷ餍蚀蟠蛘劭邸?/p>

4 結語

美麗鄉(xiāng)村建設離不開鄉(xiāng)村景觀的設計和打造，充分調研是開展鄉(xiāng)村景觀設計工作的前提條件。傳統(tǒng)的測量方式和三維軟件建模具有一定局限性，設計師需要在前期場地調研上花費大量時間和精力。無人機數據傳播和處理技術的提升，能很好地解決鄉(xiāng)村景觀設計面臨的問題，為新農村的建設和發(fā)展提供了一種新的思路和方法[5]。無人機傾斜攝影三維重建技術，通過無人機低空飛行采集相關圖像，利用CC 軟件自動建立三維空間模型，能夠有效提高景觀設計師的工作效率。該技術可以實現高精度的數據采集，直觀且準確地反映場地現狀，滿足鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設計的需求，為鄉(xiāng)村景觀的規(guī)劃和設計工作提供依據。