农村空间调查中无人机倾斜航拍技术可视化研究

刘天奕

(浙江理工大学，浙江 杭州 310020)

1 农村空间设计调研的局限性

在农村空间设计调研中，由于场景尺度的宽泛性及地质条件的复杂性，单纯依靠传统的调研手段往往会使设计调研陷入瓶颈，无法快速呈现以农村社区为代表的复杂空间。尽管现在可以用谷歌地球、街景去了解场地，但是图像的时效性和质量不尽如人意，所获取的图像大多数都是“扁平化”的，毫无实景的感觉；另外，在一些人口密度较低的区域，无论是卫星地图还是街景都缺少所需要的数据。

数字技术设备能为设计调研提供数字化、可视化的技术支撑，其中以倾斜航拍技术为代表，本文通过对倾斜航拍技术的研究，将其研究对象数字化、可视化，满足了设计调研中场景可视化呈现的需求，释放生产力的同时提高了工作效率。

2 农村空间设计调研的现状

2.1 问题分析

在农村空间中，由于尺度较宽泛，可运用无人机倾斜航拍技术对目标对象进行现状采集，通过提取的影像特征和几何特征进行实景重现，将农村范围内的地形结构进行可视化呈现，即使从未造访过村庄，也可以在短时间内掌握该村庄的地形细节和交通现状，厘米级的精度能够清晰地分辨出道路、植物、水体、设施、地形等外轮廓。

无人机倾斜航拍技术可以在短时间内获取数据并进行处理重构，这一点是传统的调研方式所无法比拟的，有利于快速高效地制定或改善设计方案，无人机倾斜航拍技术可生成高度逼真的三维立体(3D)城市模型。在倾斜航拍中，使用配备多台相机的无人机从不同角度获取城市照片。随后使用这些照片，可以重建可视化的城市三维立体模型，重建的三维立体3D城市模型可以达到厘米级的分辨率。

2.2 研究现状

无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)是一种无人驾驶飞行器的统称，起初随着计算机及定位系统和可视技术的发展，无人机最早应用于军事领域，民用领域于20世纪90年代开始逐步应用并得到蓬勃发展，在无人机成为消费级大众产品后，由于无人机高空作业机动化的优势，在测绘及工程航测中应用广泛，尤其适用于复杂空间，例如农村社区。

无人机倾斜航拍技术在农村空间可视化调研中，将航测测绘技术手段与计算机高效配合，可产生二维矢量化和三维可视化的效果场景，其中以无人机倾斜航拍技术所生产的三维立体实景模型为切入点，为可视化设计调研带来了新的可能性，逐步发展为服务于可视化设计调研且独具优势的一种技术手段。

近年来，随着消费级无人机的兴起与发展，无人机在多学科领域中得到了充分应用，文献[2]运用无人机倾斜摄影技术，对快速实景建模进行了探究；文献[3]将无人机作为策划与设计的新工具，对实际案例进行技术探析，得到了无人机倾斜摄影的操作方法和应用方向；文献[4]基于无人机测绘技术，对实景三维模型进行分辨率可视化的实践探究；文献[5]重点研究无人机在景观设计领域三维可视化的应用，同时在其它领域对无人机的应用做了较为全面的解析。文献[6]在城市的复杂区域，对无人机摄影航线的规划方法进行分析，并通过试验来进行合理性的验证，最后进行航线路径的设计；文献[7]基于无人机航测的方法，利用无人机倾斜航拍技术对景观格局的尺度效应进行了量化分析。

以上均是无人机倾斜航拍技术在不同领域内的应用前景，在此背景下，无人机倾斜航拍技术，作为一种可视化设计调研的技术，一次测量即可获取二维矢量化场地平面数据和三维可视化的实景三维模型，该技术手段可作为可视化设计调研中的策略手段进行深入研究，本文选用大疆御Maciv air作为技术设备(如图1所示)，在了解相关设备的参数指标后(详见表1)，选取杭州市余杭区黄湖镇沙塘村一处农村空间作为研究对象，探究无人机倾斜航拍技术在农村空间的可视化设计调研。

表1 无人机相机参数指标大疆御Maciv air相关参数指标

图1 大疆御Maciv air(数据来源https://www.dji.com/cn)

3 无人机倾斜航拍技术的应用

3.1 技术概述

无人机倾斜航拍技术是通过在同一平台上搭载多台传感器，在垂直、倾斜和环绕等角度进行影像的采集达到获取影像素材的目的，在前后左右4个方向45°和垂直90°角对地面进行拍摄，获取更加全面的地物影像，并基于无人机航拍的影像，配备一系列数据处理软件进行三维可视化的重构，如ContextCapture、PhotoMesh、PixelFactoryNeo、PhotoScan、Pix4DMapperPro等三维可视化建模软件。在本次实践中通过无人机航线规划和定时拍摄手段，围绕兴趣点进行环绕飞行并采集影像，其操作流程的技术路线如图2所示。本文以杭州市沙塘村的实践为例，探究无人机倾斜航拍技术在农村空间可视化设计调研中的实际应用前景。

图2 技术路线

3.2 操作流程

3.2.1设置范围与飞行航向

此过程要提前规划调整航线的重合度与相机和垂直水平面的倾斜角度数。航线的重合度，包括旁向重叠度和航向重叠度。在这里旁向重叠度又称“横向重叠”，是指2条相邻航线，航线不是完全相同的，但由于所要采集影像的对象是一致的，故所采集到的影像有部分相同，但不会完全相同。本次的实践表明，旁向重叠度在70%以上会使成功率大幅度提高。航向重叠度，亦称“纵向重叠”，是在同一飞行航线中所重叠的部分影像，根据实景建模的需要，航向重叠度在75%以上为宜。在实际操作中要注重旁向重叠度和航向重叠度的配比关系，针对三维模型所要达到的精度进行参数调整，这样才能得到更为理想的模型。

3.2.2设置飞行的安全高度

无人机的飞行高度与最后所要生成的二维矢量化及三维可视化场景也是密不可分的，在本次实践中由于农村社区无过高的建筑物，且建筑物的高度基本均等，故可采取低空航拍航测。但飞行高度与建筑物之间要有合适的高度差，保持相对合适的飞行高度既可以有效地捕捉数据，又可以确保采集影像作业的安全性。对精度有较高要求以求达到精细化的复原程度时，可以根据具体的精度要求灵活调整飞行高度。

3.2.3设置设备的镜头角度

对影像缺失或素材过于狭窄的部分由计算机进行内容识别后自行填充，影像的可用率还与无人机镜头的倾斜角度(垂直水平面的倾斜角度数)密切相关。倾斜角与水平面的角度过大时会形成一种俯拍或仰拍的视角；倾斜角与水平面的角度过小时会使影像的采集过于局部，计算机无法识别该影像在场景中的具体位置，导致影像资源的浪费。

故倾斜角需在合适的范围内才会形成有效的影像组合，根据沙塘村的实践，45°是比较理想的角度，所采集的影像利用率高达95%，足以支撑二维矢量化和三维可视化的大部分场景。

3.3 三维可视化

3.3.1前期准备

经过前人的总结以及多次实践对比，本次选用ContextCapture作为三维建模的软件工具，文献[9]对无人机倾斜航拍技术的3种建模软件进行比较研究，以南京佘村为例对建模软件进行比对，最后证实了ContextCapture的优越性能。使用ContextCapture进行三维可视化的操作(其流程如图3所示)，首先运行建模软件的引擎ContextCapture Center Engine，打开主界面ContextCapture Center Master，将采集到的影像导入软件，进行独立运算，接下来将曝光影像的地理位置与GIS系统的POS值进行比对，通过空中三角测量加密运算使之碎片化，再运行软件将整合后的碎片置于立体空间，调整编辑兴趣范围得到更为精细的三维可视化模型。

图3 ContextCapture三维可视化流程

3.3.2提取对比

提取对比这一过程即影像匹配的过程。影像匹配，简要来说就是在2幅或多幅的图像中，找出影像共有点位的运算过程，影像的重合率是能否三维可视化的关键要素。如在建筑物的三维可视化中，对建筑物环境特征的提取尤为重要，通过不断地提取特征才可以达到三维重构的目的。在这个过程中影像重合率越高计算机识别的影像化碎片也就越精致，三维模型的容错率也就越趋近于原始，虽然受到客观条件的制约，但在理想条件下可以达到毫米级别的精度。

3.3.3三维生成

计算机性能不同三维可视化模型的建造速度也不尽相同。通过上述步骤的运行可构建三维可视化的实景模型，在这其中由于计算机性能的不同所展现出来的运行效率也是不同的，同时在无人机采样的过程中影像碎片基于计算出的瓦片数量的不同也会随之重构新的模型。由于采样整体环境的统一性，使得计算机无法进行精准识别，故会重构其他场景的碎片模型，在随后的过程中将之剔除即可。

3.3.4后期处理

对于目标场景的后期处理，由于3Ds Max文件会产生极多碎片化的网格，故不建议使用该软件，本文借助Auto Meshmixer软件进行细节部分的修缮，例如网格面的修饰和细节轮廓的处理，以及目标材质的把控都可在此软件中进行，按流程进行即可获取三维立体实景模型。

3.4 二维矢量化

对于空间场景的数据信息建构，尤其对场地信息的搜集归纳，其二维和三维的呈现均为不可或缺的一部分，同时也是设计环节的重要组成部分，前期资料的完整度决定了后期设计工作的进度，甚至还会在一定程度上影响设计成果的高度。在三维可视化工作完成后，可进一步生成矢量化的图纸供设计参考。对三维模型进行简要处理后，使用AlgoLab R2V Toolkitren软件可快速生成矢量的CAD图纸(如图4所示)，生成不同用地属性的区域分级，为规划设计或空间环境设计提供参考依据。农村空间中的信息被高效获取，无论是信息质量还是获取速度，其优势均大于传统调研手段。图4通过二维矢量图与三维可视图做对比，证明了该技术手段的精准度和准确性，故可以大规模应用于农村空间中。

图4 AlgoLab R2V Toolkitren二维矢量化流程

4 优势分析

4.1 提高工作效率

以农村空间可视化设计调研为例，农村设计调研是个复杂的过程，包括需求对接、明确定位、收集资料、调研考察。相比较现有的设计调研模式而言，无人机倾斜航拍技术可以在相对短的时间内获取尽可能多的资料，可反映真实的场地状况，使设计调研的主体对于场地现存地形条件以及具体情况有清晰直观的认识，此技术对于设计调研的前期分析，节约了时间成本等资源，同时可为后期设计方案的优化提供数据保障。

由于工作环境和专业知识的差别，在方案阐述中设计师的思维与意图并不能百分百被服务对象吸收领会，故导致谈判双方陷入僵局。如果换一种表达方式，以无人机倾斜航拍技术下的二维矢量化平面布局和三维可视化模型渲染，这种实景叠加虚拟的方式呈现在服务对象的眼前，使设计思维从抽象到具体，从虚构到现实，缩短想象与实际之间的距离，即可对设计方案一目了然，可推动整个项目的设计进程。

4.2 扩大覆盖范围

在一定范围内，如果把调研实施对象平均划分为等大的测区范围，传统的做法是在小范围测区内进行，然后才能逐步拓展到各个不同的测区，数据采集的工作量较大，效率也不尽如人意。对于农村空间尤其是当下可视化的调研而言，调研的真实性及准确性十分重要，无人机本身可以采集海量的数据加以分析比对，通过内置运算方法以及计算机的处理摒弃虚无的数据，提取真实可靠的数据，并提高数据的准确性。相比较传统做法获取相关数据，无人机倾斜航拍技术可以达到较大范围内数据的采集，可快速且全方位系统地了解所要设计的测区场地，这里的关键在于无人机的高空作业机动性是别的技术手段所代替不了的，正是由于该手段的先进性，使得在实地项目中所覆盖的范围大大增加，极大地提高了生产效率。

4.3 清晰获取现状

农村空间可视化设计调研中的前期分析工作，即获取调研对象的现状基础信息，包括地形条件、水文植被、地域特色等资料，进行场地分析的过程。传统现状资料的获取具有一定局限性，该资料可以通过相关部门获取，但缺少相关的三维信息资料；或通过走访调查结合实地勘测等手段，并通过卫星遥感获取目标的资料，但这种方法成本较高，缺少对现场空间的全面认识，特别是在农村社区这种复杂空间中的调研。

在农村空间可视化设计调研中，可利用无人机倾斜航拍技术获取二维矢量化及三维可视化的现状信息资料，清晰地获得农村空间的现状，从而为农村空间前期调研分析提供资料依据。如在本次的调研活动中对沙塘村的现状进行了可视化的呈现，获得沙塘村现场地形地貌特征(如图5所示)，可视化的呈现方式为农村空间的规划设计提供了前期依据。

由图5可以看出，村落的现状范围界限清晰，周围为山地且植被覆盖率较高，路网结构清晰，大多数道路铺设水泥路面，建筑布局南北朝向为主，建筑物间距较为合理。可视化的呈现方式也可直观看出其不足之处，如由图5可直观看出缺少公共休闲活动场所；无标志性广场；虽植被覆盖率高但未形成有组织的景观空间；主要道路宽度不够，导致车辆错车受限；交通路网需要完善内部巷道，组织交织错落的路网。

图5 调研场地整体可视化呈现

4.4 扩展调研方式

农村空间可视化设计调研中，无人机倾斜航拍技术的运用使得传统的测量技术手段发展到可视化技术手段，多维视角下的信息呈现模式在获取海量信息数据的同时其精准度也可得到保障，有效获取调研场地的现状，现场直观性得到充分展现，为调研工作的选择提供了新的途径，其可视化的成果提升了工作效率，为当下的设计调研乃至未来的可视化规划设计提供了资料依据。

农村空间可视化设计调研需要对现状充分认知并分析，农村空间的设计调研包括信息获取、资料收集等，这是设计调研开展的必要前提条件。十九大报告提出实施农村振兴战略，传统调研方法由于资料的相对受限，无法全面深入地开展调研工作，导致了其调研的局限性，而可视化调研对后续工作的开展起着至关重要的作用，为农村振兴的建设及规划设计的工作提供具有可操作性的资料。

5 结语

本研究利用无人机倾斜航拍技术对农村空间进行了可视化研究。由于我国存在较多地理信息数据缺失的农村空间，且地貌特征较为复杂，利用本文方法可以快速将农村空间可视化，以沙塘村作为研究基地，通过无人机外业和软件内业相结合的方式，将农村空间进行可视化呈现，且呈现方式多维，包括二维矢量化和三维可视化2种呈现方式，全方位展现了调研场地的现状，为设计调研尤其是当下的可视化设计调研提供新的易行方法。

受调研设备和个人能力的限制，可视化的颗粒度仅达到厘米级，未能将可视化的颗粒度达到毫米级甚至更为精细的程度，在今后的研究中应总结经验并寻找解决方案。